Комбинированный способ сушки зерна: сочетание реверсивного и осциллирующего режимов

Текст: С. А. Павлов, канд. техн. наук, зав. лабораторией вентилирования и сушки семян и зерна; Н. С. Левина, старший науч. сотр., О. В. Елизарова, лаборант-исследователь, ФГБНУ ВИМ

Разработанный комбинированный способ сушки зерна сочетает элементы двух инновационных методов. Это позволяет снизить неравномерность влажности высушенных семян при сокращенных удельных затратах тепла на сушку, помогает минимизировать риски перегрева оборудования и повысить качество продукции.

При сочетании реверсивного и осциллирующего режимов следует ожидать более полного насыщения агента сушки парами влаги по сравнению с квазистационарным методом. Это обусловлено тем, что влага при циклических нестационарных процессах поступает в оболочку зерновок, и на ее испарение требуется меньше теплоты. При осциллирующем режиме возникает термодиффузионный эффект, когда перемещение влаги не тормозится градиентом температуры, а ускоряется. Попеременное охлаждение поверхности зерна позволяет повысить температуру агента сушки без риска его перегрева и снижения качества. Для реверсивного режима характерны как охлаждение зерна отработавшим агентом в первых циклах, так и возрастание коэффициента теплоотдачи от нестационарных скоростных полей.

СОЧЕТАНИЕ МЕТОДИК

Реверсивный и осциллирующий режимы сушки являются инновационными. Это обусловлено нестационарностью гидродинамических полей первого и термодинамических процессов второго. По сравнению с квазистационарной сушкой при постоянном направлении вектора скорости снижаются удельные затраты энергии и возрастает производительность самой сушилки. В то же время эти режимы имеют резервы интенсификации повышения эффективности оборудования и качества зерна, если при осциллирующем режиме уменьшаются удельные затраты теплоты, но неравномерность сушки не снижается.
Для определения оптимальных частот осциллирования в реверсивном цикле при сушке зерна в колонковой сушилке и расчета длительности процесса при комбинированном режиме специалисты ФГБНУ ВИМ провели ряд экспериментов. Программа-методика лабораторных исследований предусматривала вентилирование зерна в модели колонковой сушилки с частотой осциллирования один, два и три цикла в полуцикле реверса, периодическую — 1–3 мин. — регистрацию температуры свежего и отходящего агента сушки, его относительной влажности, температуры и влажности зерна. Сырье высушивали от начальной влажности, 20–24 процента, до кондиционной — 14±0,5 процента. В конце сушки определяли средние влажность и температуру семян. Температуру агента изменяли от 60 до 85°С, а скорость поддерживали равной 0,5 м/с. Наряду с опытами по комбинированной сушке проводили контрольные испытания — с реверсом агента сушки без осциллирования, причем выдерживали все параметры основных экспериментов. Температуру и влажность зерна измеряли на выходе из модели. Повторность опытов была двукратной, длительность циклов осциллирования составляла 6, 12 и 30 мин. в цикле реверса 60 мин. Все периоды нагрева и охлаждения осциллирования были симметричны. Влажность зерна определяли высушиванием в сушильном шкафу с погрешностью ±0,2 процента. Температуру и относительную влажность воздуха устанавливали с помощью комплекса «Терем 4» с погрешностью в два процента.

В ходе опытов в корпус сушилки загружали зерно, в течение 10 мин. прогревали при пониженной температуре агента сушки. Затем поочередно переставляли трубопровод с одной стороны на другую, осуществляя осциллирующий режим сушки в цикле реверсирования. Температуру входящего агента сушки на входе в кассету поддерживали постоянной с помощью температурного датчика с амплитудой ±4°С. Расход материала меняли от 10 до 30 кг/ч, а зерно сушили как в поточном режиме, так и в циклическом.

АМПЛИТУДА ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Эксперименты наглядно продемонстрировали, что изменение температуры сушки при комбинированном режиме практически не отличается от показателей контрольных замеров, но длительность процесса несколько меньше. Особенностью комбинированного метода по сравнению с контролем является меньший размах колебаний средней температуры зерна. При реверсивной продувке без осциллирования разность температур семян в пограничных слоях с решеткой вначале была максимальной, затем постепенно снижалась. Также с повышением частоты осциллирования стала сокращаться амплитуда изменения температуры зерна. Для цикла в 15 мин. она не превышала ±1,5°С и являлась оптимальной по удельным затратам тепла. С уменьшением амплитуды колебаний температуры снижались потери тепла с отходящим агентом сушки. Таким образом, установлено, что температуру охлаждающего воздуха следует выбирать из условия понижения температуры поверхности зерна до такого уровня, чтобы ее предельно допустимое значение было достигнуто при последующем нагреве. Более интенсивное охлаждение материала приводит к возрастанию удельного расхода тепла на сушку.

Рис. 1. Зависимость температуры от времени сушки при t1=75°C; tox=20°C; W=23,5%; h=0,25 м. Цикл реверсирования (1, 2) — 60 мин., осциллирования (3) — 30 мин. Кривые 1, 2 — со стороны входа и выхода агента сушки; 3 — средняя температура зерна

В экспериментах наблюдали косинусоидную температурную кривую нагрева зерна с постепенным снижением амплитуды колебаний по времени. В пределах периода нагрева при осциллировании средняя разница между начальной температурой зерна и конечной обычно составляет 3–5°С, а в циклах охлаждения — 1–2°С. Съем влаги в пределах цикла осциллирования применительно к сушке семян невелик и составляет для разных режимов в среднем 0,2–0,3 процента за цикл. С известным приближением можно полагать, что понижение влагосодержания зерна на каждом последующем участке и как следствие — ослабление интенсивности сушки компенсируются соответствующим повышением средней температуры материала.

Эффективность комбинированного режима сушки можно охарактеризовать динамикой изменения относительной влажности и температуры отходящего агента сушки. Размах этих колебаний при реверсивном режиме максимален, но существенно снижается пропорционально увеличению частот циклов осциллирования. Это является доказательством выравнивания полей влажности и температур в слое и свидетельствует об оптимальности комбинированного режима сушки.

Рис. 2. Технологическая схема модели: 1 — вентилятор, 2 — заслонка, 3 — калорифер, 4 — трубоподвод гофрированный, 5 — решетка, 6 — корпус, 7 — насадка, 8 — емкость, 9 — питатель

При неглубоком охлаждении нагретого зерна наблюдалось действие механизма интенсивного самоиспарения, обусловливающего уменьшение удельных затрат теплоты на сушку. С повышением температуры агента сушки с 60 до 80°С удельный расход тепла понижался до оптимальных величин — 4,4 кДж/кг испаряющейся влаги. Это можно объяснить, учитывая специфику сушки зерна при комбинированном режиме: при более низких температурах теплоносителя время высушивания материала возрастает, что обусловливает существенное увеличение удельных тепловых затрат и потерь тепла с охлаждающим воздухом.

ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ

Используя экспериментальные кривые сушки, можно вывести выражение для расчета длительности комбинированной сушки согласно формуле А. В. Лыкова. Обработка экспериментальных данных позволила установить, что для комбинированного режима с частотой осциллирования 3–4 коэффициент сушки К=0,25–0,3 м.

Рис. 3. Зависимость показателя влажности от времени сушки при комбинированном режиме: 1 — без осциллирования, 2 — один цикл, 3 — два цикла, 4 — три цикла осциллирования

Комбинированный режим в полуцикле реверса агента сушки предполагает осуществление нескольких циклов осциллирования зерна. Этот режим является энергосберегающим, допускает повышение температуры агента на ≈10°С по сравнению с наблюдаемой при реверсивном методе. Оптимальная длительность циклов осциллирования при цикле реверса 60 мин. составляет 15 мин., время сушки при этом сокращается на ≈10–12 процентов. Допустимая температура агента сушки для семян влажностью 20–22 процента в слое толщиной 0,25 м — 75°С. С повышением температуры выше этого значения происходит существенное отставание процесса внутреннего массопереноса от внешнего тепломассообмена, и материал быстро перегревается. Длительность сушки можно определить по выражению А. В. Лыкова при коэффициенте сушки К=0,0003 с–1.