Способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления

Изобретение относится к сушке семян и зерна и может быть использовано в сельском хозяйстве и в системе заготовок, преимущественно для установок периодического действия.

1. Известен способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления (патент RU №2519809 кл. A01F 25/00. Опубликован 20.06.2014 Бюл. №17),

Недостатки способа:

а) Чередование увлажнения и высыхания спелых семян приводит к разрыву мембран и растрескиванию, что сильно влияет на всхожесть семян (Жизнеспособность семян / пер. с англ. Н.А. Емельяновой: под ред. и с предисловием М.К. Фирсовой. - М.: Колос 1978 - 415 с., ил.). При осциллирующей сушке поверхность семян подвергается многократному увлажнению и высыханию, поэтому осциллирующий способ сушки больше применим к продовольственному и фуражному зерну, а не к семенам;

б) Повышенный расход тепла из-за периодического принудительного нагрева и охлаждения не только зерна, но и камеры сушки, теплогенератора, подводящего и отводящего газопроводов;

в) В данном способе не учитывается возможность увеличения температуры нагрева зерна при уменьшении его влажности. Сушка проводится на одной заранее установленной температуре.

Недостатки устройства:

а) Ввод газопровода в камеру не согласован с камерой, поэтому образуются мертвые зоны и неравномерность сушки, которую сложно уменьшить даже многократным прогоном зерна шнеком;

б) Многократный прогон зерна шнеком - это бой зерна, что ухудшает его качество;

в) Не предусмотрена возможность изменения температуры материала сушки в процессе сушки.

2. Известен способ осциллирующей сушки зерна и устройство для его осуществления (патент RU №2539860 кл. В02В 5/00; F26B 17/12. Опубликован 27.01.2015),

Недостатки способа:

а) Узкая область применения - фуражное зерно, из-за разрыва мембран и растрескивания зерна при многократном чередовании увлажнений и высыхания;

б) Повышенный расход тепла из-за многократного нагревания и охлаждения камеры сушки и примыкающего к ней теплового оборудования;

в) Формулы, приведенные в формуле изобретения, это грубое приближение к оценке длительности сушки и охлаждения. Они имеют вероятностный характер:

- α - коэффициент теплоотдачи зависит от состояния поверхности зерна;

- η - доля теплоты, пошедшая на нагрев зависит от скважности зернового вороха, которая постоянно меняется из-за перемешивания зерна шнеком;

- f - удельная поверхность зерна зависит от его формы. Размеры зерна пшеницы меняются по длине в 2 раза, по толщине в 2,5 и по ширине в 2,5 раза (Сычугов Н.П., Сычугов Ю.В., Исупов В.И. Механизация послеуборочной обработки зерна и семян трав [Текст]/ Н.П. Сычугов, Ю.В. Сычугов, В.И. Исупов // ФГУИПП «Вятка» - Киров. 2003. Таблица 1.5 стр. 15).

При этих условиях применение указанных формул весьма проблематично.

г) Требуются сложные вычисления.

д) Не учитывается уменьшение влажности во время сушки. С уменьшением влажности и длительности сушки увеличивается предельно допустимая температура нагрева зерна (обозначим ее Т_ПР), благодаря которой в процессе сушки можно повышать температуру нагрева зерна, не ухудшая его качества, и тем самым сокращать время сушки. В рассматриваемом способе предлагается постоянная произвольная температура с учетом которой оператор сушки будет определять примерную длительность сушки. Но эта постоянная ни в коей мере не может заменить переменную предельно допустимую температуру Т_ПР.

Недостатки устройства:

а) Из-за отсутствия согласования газопровода с входом в камеру сушки образуются мертвые зоны и неравномерность сушки;

б) Повышенный расход тепла из-за многократного нагрева и охлаждения камеры и примыкающего к ней теплового оборудования.

г) Пробоотборники не обеспечивают контроль и управление температурой агента сушки в процессе сушки.

Наиболее близким к предлагаемому способу сушки является способ конвективной сушки (прототип), по которому зерно загружают, продувают нагретым газообразным агентом сушки (воздухом или его смесью с продуктами горения). Зерно нагревается, влага испаряется, поглощается газами и уносится в окружающую среду. После высушивания зерно охлаждают. Охлажденное зерно выгружают (Халанский В.М., Горбачев И.В. Сельскохозяйственные машины [Текст] / В.М. Халанский, И.В. Горбачев. - М.: Колос С, 2003 - 624 с: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений) стр. 382).

Недостатком способа является то, что сушка выполняется при постоянной температуре, не превышающей предельно допустимую при влажном материале сушки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является (прототип) ромбическая сушилка, содержащая сушильную камеру, образованную установленными на регулируемом расстоянии друг от друга внутренним и наружным воздухопроницаемыми корпусами, имеющими в сечении форму ромба, аэрожелоб с заслонкой, расположенный в нижней части камеры, надсушильный бункер, расположенный в верхней части камеры со шнековым транспортером с приводом, расположенным вдоль бункера, смотровым окном и контрольным сливом, пробоотборники, расположенные на боковых стенках наружного корпуса, торцевые стенки внутреннего корпуса выполнены одна глухой, а вторая соединена диффузором с воздуховодом для сушильного агента, в котором установлена задвижка, камера установлена посредством стоек и планок жесткости на фундаменте, а внутренний корпус выполнен открытым, отличающаяся тем, что она снабжена теплоизолятором с экранирующими заслонками для регулирования отходящего потока сушильного агента, установленными с зазором относительно стенок наружного корпуса, распределителем обрабатываемого материала, расположенным в надсушильном бункере у места загрузки материала, и рамкой с винтовым механизмом для обеспечения вертикального перемещения шнекового транспортера (Патент РФ 2067270).

Недостаток устройства - работает при постоянной температуре агента сушки, не учитывает возможности повышения температуры сушки при уменьшении влажности материала сушки.

Цель изобретения - сокращение времени сушки семян и зерна не ухудшая их качества.

Цель достигается тем, что в способе сушки семян и зерна, заключающимся в том, что материал загружают, воздействуют нагретым агентом сушки, высушивают, охлаждают и разгружают, согласно изобретению, температуру материала во время сушки повышают в зависимости от влажности и поддерживают по формуле

Т=54,4-0,5W,

где Т - температура, °С; W - влажность, %.

Новые существенные признаки.

1. Постоянно измеряется влажность сушимого материала.

2. Постоянно повышается температура сушимого материала до предельно допустимой температуры нагрева сушимого материала при данной влажности

3. Нет сложных вычислений

Цель достигается также тем, что устройство для сушки семян и зерна, содержащее сушильную камеру, образованную установленными на регулируемом расстоянии друг от друга внутренним и наружным газопроницаемыми корпусами, имеющими в сечении форму ромба, одна торцевая стенка внутреннего корпуса глухая, а другая соединена диффузором, в котором установлена задвижка, через коллектор с теплогенератором, аэрожелоб с заслонкой, расположенный в нижней части камеры, надсушильный бункер, расположенный в верхней части камеры со шнековым транспортером с приводом, расположенным вдоль бункера, камера установлена посредством стоек и планок жесткости на фундаменте, в камере сушки установлен датчик влажности соединенный с входом устройства управления теплогенератора, который содержит, измеритель влажности, реверсивный счетчик, регистр, блок кодирования максимальной температуры агента сушки, содержащий шину питания и переключатели, выход которого соединен с входом данных реверсивного счетчика, вход разрешения приема которых соединен с вторым выходом измерителя влажности, вход которого соединен с выходом датчика влажности, первый выход соединен с входом вычитания реверсивного счетчика, а третий выход соединен с входом синхронизации регистра, вход данных которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход с входом теплогенератора, при этом измеритель влажности содержит источник питания, тактовый генератор, компаратор, RS триггер, ключ, конденсатор образцовый, генератор контрольной частоты, элемент «И», калибратор, при этом от источника питания опорное напряжение, поступает на прямой вход компаратора, а рабочее напряжение, поступает на вход ключа, управляющий вход которого соединен с инверсным выходом RS триггера и третьим выходом измерителя, а выход через образцовый конденсатор с общей шиной; вход измерителя соединен с инверсным входом компаратора и выходом ключа; вход R триггера соединен с выходом компаратора, а вход S с выходом тактового генератора и вторым выходом измерителя; прямой выход триггера соединен с вторым входом элемента «И», первый вход которого соединен с выходом генератора контрольной частоты, а выход через калибратор соединен с первым выходом измерителя.

Новые существенные признаки.

1. Введен измеритель влажности сушимого материала.

2. В ведено устройство управления температурой теплогенератора.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают быструю высококачественную сушку семян и зерна.

На Фиг. 1 изображена структурная схема устройства. Основу сушильной камеры 1 составляют каркасы внутреннего 2 и наружного 3 ромбов. Наружный ромб 3 с помощью продольных брусьев и стоек 4 планками жесткости 5 закреплен на фундаменте 6. К наружной поверхности внутреннего ромба 2 и внутренней поверхности наружного ромба 3 крепится пробивное оцинкованное железо с круглыми отверстиями с диаметром 1,8…2,5 мм, по конструкции аналогичное железу у промышленных бункеров активного вентилирования. Пространство между ромбами 2 и 3 является сушильной камерой 1, в которую загружается материал сушки.

Одна из торцевых стенок 7 сделана глухой, а вторая имеет диффузор 8 для подачи агента сушки во внутренний ромб через коллектор 9 от теплогенератора 10.

В верхней части сушильной камеры 1 смонтирован открытый надсушильный бункер 11, вдоль которого смонтирован шнековый транспортер 12 для перемещения сушимого материала от места загрузки 13 и его выравнивания.

В нижней части сушильной камеры 1 смонтирован аэрожелоб 14 с заслонкой для выгрузки высушенного материала.

Внутри камеры 1 установлен датчик влажности 15, выход которого соединен с входом устройства управления 16 теплогенератором 10, который содержит, блок 17 кодирования максимальной температуры агента сушки, содержащий шину 18 питания и переключатели 19, выход которого соединен с входом данных реверсивного счетчика 20, вход разрешения приема которых соединен с вторым выходом измерителя 22 влажности, вход которого соединен с выходом датчика 15 влажности, первый выход соединен с входом вычитания реверсивного счетчика 20, а третий выход соединен с входом синхронизации регистра 21, вход данных которого соединен с выходом реверсивного счетчика 20, а выход с входом теплогенератора 10.

На Фиг. 2 изображена структурная схема измерителя влажности 22, который содержит источник питания 23, компаратор 24, RS триггер 25, ключ 26, конденсатор 27 образцовый, тактовый генератор 28, генератор 29 контрольной частоты, элемент 30 «И», калибратор 31, при этом от источника питания 23 опорное напряжение, поступает на прямой вход компаратора 24, а рабочее напряжение, поступает на вход ключа 26, управляющий вход которого соединен с инверсным выходом RS триггера 25 и третьим выходом измерителя 22, а выход через конденсатор 27 образцовый с общей шиной; вход измерителя 22 соединен с инверсным входом компаратора 24 и выходом ключа 26; вход R триггера 25 соединен с выходом компаратора 24, а вход S с выходом тактового генератора 28 и вторым выходом измерителя 22; прямой выход триггера 25 соединен с вторым входом элемента 30 «И», первый вход которого соединен с выходом генератора 29 контрольной частоты, а выход через калибратор 31 соединен с первым выходом измерителя 22.

Способ и устройство работают следующим образом.

Обоснование способа.

Известно, что один из способов ускорения процесса сушки это увеличение температуры нагрева сушимого материала, однако эксперименты показали, что существует предельно допустимая температура нагрева зерна, при превышении которой зерно теряет свои потребительские и семенные качества. Экспериментальные данные (Захарченко И.В. Послеуборочная обработка семян в Нечерноземной зоне [Текст] / монография: И.В. Захарченко - М.: Россельхозиздат, 1983.-263 с.) представлены в виде таблицы, воспользоваться которой для контроля и регулирования процесса сушки сложно. Предпринимались неоднократные попытки представить эти данные в аналитическом виде. Из известных формул, наиболее распространенные (Птицын С.Д. Зерносушилки, технологические основы, тепловой расчет и конструкции [Текст] / монография: С.Д. Птицын - М.: Машиностроение, 1966. - 211 с.)

- формула Хатчинсона Т_Х = 122 - 5,4 lg τ - 44 lg W_BO;

- формула С.Д. Птицына

где W_BO - влажность зерна, τ - длительность сушки.

Эти формулы сложны для реализации. Нами получена более простая формула, в которой функция двух параметров Т (τ, W) представлена в виде суммы двух независимых функций Тτ (τ) и Tw(W), каждая из которых зависит только от одного параметра Т (τ, W) = Тτ (τ) + Tw(W),

где Тτ = 23-10 lg τ, Tw=54,4-0,5w.

Возможность сокращения времени сушки за счет уменьшения ее длительности проявляется лишь при длительности сушки 1-2 часа. При времени сушки 6-9 часов и более, основная возможность увеличения температуры определяется уменьшением влажности сушимого материала. Среднеквадратическая ошибка аппроксимации табличных данных по формуле

составляет σ=8,58⋅10^-1 %. Реализация этой формулы не требует сложных вычислений.

Устройство работает следующим образом.

Сушилка (Фиг. 1) периодического действия, за одну загрузку влажность любого исходного материала доводится до базисной. Прежде чем начать загрузку сушильной камеры 1, необходимо включить транспортер. Продольный шнековый транспортер 12 равномерно распределяет и разравнивает загружаемый материал по сушильной камере 1. Включают теплогенератор 10 и направляют агента сушки через коллектор 9 и диффузор 8 во внутреннюю полость внутреннего ромба 2. Агент сушки проходит через газопроницаемые стенки внутреннего ромба 2, пронизывает слой сушимого материала и выходит через газопроницаемые стенки наружного ромба 3 в атмосферу. В результате этого ворох нагревается, влага из вороха испаряется, поглощается агентом сушки и удаляется из сушильной камеры 1.

После окончания сушки, для дополнительного охлаждения зерна, закрывают задвижку аэрожелоба 14 и подают в него атмосферный воздух. Под действием потока воздуха зерно охлаждается, и при открытой заслонке аэрожелоба 14 выгружается из сушильной камеры.

Перед включением теплогенератора 10 включают устройство управления 16 и устанавливают блок 17 переключателями 19 на максимальную температуру агента сушки. Предварительно включенный, измеритель 22 выдает на вход вычитания регистра 20 количество импульсов, соответствующих температуре, на которую необходимо понизить максимальную температуру агента сушки, установленную в блоке 17. Результат, полученный на выходе счетчика 20, является кодом температуры агента сушки, соответствующей предельно допустимой температуре нагрева зерна при данной влажности. Этот код передается на теплогенератор 10 после окончания счета в данном такте через регистр 21.

Измеритель 22 работает после подключения к входу датчика 15 влажности. В качестве датчика 15 влажности взят конденсатор с потерями, т.е. между электродами помещается поглотитель влаги, поэтому и емкость, и сопротивление такого конденсатора зависят от влажности окружающей датчик среды. Нами в качестве поглотителя взят гипс.

В исходном состоянии и в паузах между тактовыми импульсами триггер 25 находится в нулевом (закрытом) состоянии (S=0, R=0, U_ВЫХ=0) и будет в нем находиться до прихода следующего тактового импульса. Покажем это:

1. Триггер 25 открыт (находится в единичном состоянии) U_ВЫХ=1. Сигнал с инверсного выхода триггера 25 откроет ключ 26, и напряжение U₀ источника 23, поступавшее при закрытом ключе 26 на конденсатор 27, не будет поступать и конденсатор 27 начнет разряжаться через датчик 15. Когда напряжение на конденсаторе 27 (U_C) станет меньше опорного (U_C<U_ОП), то компаратор 24 выдаст единичный сигнал на вход R триггера 25. При входных сигналах (S=0, R=1) триггер 25 перейдет в закрытое (нулевое) состояние U_ВЫХ=0;

2. Триггер 25 закрыт U_ВЫХ=0, сигнал закроет ключ 26, и он будет пропускать напряжение U₀ источника 1 на конденсатор 27. Когда станет U_C>U_ОП компаратор 24 выдаст нулевой сигнал на вход R триггера 3. При входных сигналах (S=0, R=0) триггер 25 будет хранить нулевой сигнал на выходе U_ВЫХ=0.

Приход тактового (запускающего) импульса с тактового генератора 28 открывает триггер 25, U_ВЫХ=1, так как S=1, R=0. Сигнал с инверсного выхода триггера 25 открывает ключ 26. Напряжение U₀ источника 1 перестает поступать на конденсатор 27 и конденсатор 27 начинает разряжаться через датчик 15. Когда напряжение на нем (U_C) станет меньше опорного (U_C<U_ОП), то компаратор 24 выдаст единичный сигнал на вход R триггера 25. При входных сигналах (S=0, R=1) триггер 25 перейдет в закрытое (нулевое) состояние U_ВЫХ=0. Этот процесс смены состояний триггера 3 будет происходить после каждого тактового (запускающего) импульса.

По каждому тактовому импульсу генератора 28, триггер 25 выдает импульс, длительность которого пропорциональна сопротивлению датчика 15. Это длительность единичного состояния триггера 25 и равна длительности разряда емкости С₀ конденсатора 27 от U₀ до U_ОП т.е.

где R_X и С_Х - сопротивление и емкость датчика 15.

На практике всегда можно подобрать емкость С₀ много больше емкости С_Х, т.е. С₀>>C_X. В этом случае время разряда линейно зависит от сопротивления датчика

Особенность работы устройства - конденсатор 27 разряжается не через внешние цепи, как принято, а через датчик 15, поскольку датчик 15 - конденсатор с потерями и его электрическая схема - параллельное соединение сопротивления R_X и емкости С_Х.

Длительность импульса, полученного на выходе триггера 25, измеряется периодом контрольной частоты, поэтому импульсы с выхода триггера 25 и с генератора 29 контрольной частоты подаются на элемент 30 «И». Число прошедших элемент 30, импульсов соответствует измеряемой влажности но его необходимо прокалибровать в общепринятые единицы влажности, а затем согласно предлагаемому способу в температуру. Это выполняет калибратор 31. В простейшем случае калибратор 31 - это делитель частоты генератора 29 контрольной частоты. Если при калибровке устройства 22 получено, что одному проценту влажности соответствует N импульсов генератора 29 контрольной частоты, а половине процента влажности n=0.5N, то калибратор 31 должен делить частоту генератора 29 в n=0.5N раз. В этом случае, с выхода калибратора 31 на вычитающий вход счетчика 20 в каждом такте будут поступать импульсы, уменьшающие код максимальной температуры агента сушки записанный блоком 17. В результате код на выходе счетчика 20 - код температуры агента сушки, соответствующий предельно допустимой температуре нагрева материала сушки.

Перечень позиций на чертеже Фиг. 1 к заявке

Способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления

1 - Камерная сушилка;

2 - Внутренний ромб;

3 - Внешний ромб;

4 - Стойка

5 - Планка жесткости;

6 - Фундамент;

7 - Торцевая стенка;

8 - Диффузор;

9 - Коллектор;

10 - Теплогенератор;

11 - Бункер надсушильный;

12 - Транспортер шнековый;

13 - Место загрузки;

14 - Аэрожелоб;

15 - Датчик влажности;

16 - Устройство управления;

17 - Блок кодирования;

18 - Шина питания;

19 - Переключатели;

20 - Счетчик реверсивный;

21 - Регистр;

22 - Измеритель влажности;

Перечень позиций на чертеже Фиг. 2 к заявке

Способ сушки семян и зерна и устройство для его осуществления

22 - Измеритель влажности;

23 - Источник питания;

24 - Компаратор;

25 - RS триггер;

26 - Ключ;

27 - Конденсатор образцовый;

28 - Генератор тактовый;

29 - Генератор контрольной частоты;

30 - Элемент «И»;

31 - Калибратор.