Кинетика охлаждения зерна после сушки на установках активного вентилирования

В соответствии с Инструкцией по сушке зерно после зерносушилки должно выходить с температурой, не превышающей на 100С температуру атмосферного воздуха. Это определяет, особенно в летний период уборки урожая, относительно высокую температуру зерна, направляемого в зернохранилище, достигающую 30-350С. Кроме того, зерно после сушки может выходить из зерносушилки с колебаниями по влажности, достигающими 0,5-1,0%, в результате неравномерности по влажности сырого зерна, поступающего на сушку, а также возможной недостаточной автоматизации параметров процесса сушки: колебаний температуры и расхода сушильного агента, неравномерности движения зерна по сечению сушильной шахты, засоренности выпускных устройств и т.д.

Снизить температуру просушенного зерна до поступления его в зернохранилище можно с использованием специальных охладительных шахт (колонок), устанавливаемых возле зерносушилок. Однако более предпочтительным является применение метода «драйаэрации», когда зерно выпускают из зерносушилки с влажностью на 1,0-1,5% превышающей критическое значение для сухого зерна и, после отлежки, медленно охлаждают. При этом охлаждение зерна может осуществляться как в специальных охладителях зерна, так и непосредственно в зернохранилищах: зерноскладах и силосах элеваторов.

В процессе «драйаэрации» происходит не только выравнивание зерновой массы по влажности и температуре, но и досушивание зерна. Подобная технология наиболее эффективна для сушки сильных и ценных сортов пшеницы, семенного зерна, а также зерновых культур, подверженных трещинообразованию при сушке - риса, кукурузы, бобовых культур.

При медленном охлаждении этот способ позволяет использовать для испарения влаги из зерна теплоту, аккумулированную зерновой массой в большей степени, чем при относительно быстром охлаждении в охладительной зоне зерносушилки. При этом отлежка (термостатирование) зерна перед его охлаждением служит для выравнивания влаги в зерновках, распределение которой в конце процесса сушки неравномерно. Кроме того, при использовании такой технологии предотвращается пересушивание зерна, сохраняется его качество, повышается производительность и коэффициент полезного действия зерносушилок.

Исследования проведены на стендовой установке представляющей собой блок из трех теплоизолированных колонок высотой 2350 мм каждая, внутренним диаметром 250 мм, установленных на общей раме и соединенных последовательно при продувке воздухом. В каждой колонке на расстоянии от газораспределительной решетки 200, 650, 1100,1550 и 2000мм расположены съемные сетчатые кассеты для отбора зерна и измерения его влажности и хромель-копелевые термопары для измерения его температуры [1].

Исследования проведены на зерне риса сорта «Спальчик» и пшеницы сорта «Вега» влажностью соответственно 16,2-17,2% и 15,1-18,5%, температурой нагрева 37,1-55,0 и 43,3-53,0°С. Температура охлаждающего атмосферного воздуха изменялась от 8 до 200С, относительная влажность воздуха - 50-80% , высота слоя зерна - 1,6-6,0 м, скорость фильтрации воздуха в слое – 1,7-22,8 см/с, удельные подачи воздуха составляли 19-334 м3/(ч·т).

При охлаждении зерна в плотном слое в зависимости от скорости фильтрации воздуха могут возникнуть существенные различия в температуре и влажности верхнего и нижнего слоя зерна (рис.1). Как видно из графика при охлаждении нагретого зерна в плотном слое значительной высоты это различие зависит от скорости фильтрации воздуха. Например, для зерна начальной влажности 16,7% при высоте слоя 4,2 м и низкой скорости фильтрации воздуха 4,9 см/с верхний слой увлажняется, и даже через 10 часов вентилирования не снижает свою влажность ниже начального значения, а расхождение в температурах верхнего и нижнего слоя максимальное.



Рис.1. Изменение температуры (а) и влажности (б) верхнего и нижнего слоев риса-зерна в процессе охлаждения: 1 - скорость фильтрации воздуха Vф = 4,9 см/с; 2 - 8,4; 3 - 12,2; 4 - 22,8; 5 - температура охлаждающего воздуха. Высота слоя зерна Н0 = 4,2 м, начальная температура зерна ?н =500С, начальная влажность зерна Wн = 16,7%; о - верхний слой зерна; • - нижний слой зерна.

С увеличением скорости фильтрации воздуха до 12,2 см/с охлаждение верхнего слоя происходит с началом процесса, а разность температур между верхним и нижним слоем уменьшается. При этом уменьшение температуры нижнего слоя может достигать значений даже ниже температуры воздуха за счет испарения влаги из зерна.
С уменьшением скорости фильтрации воздуха несколько увеличивается вынос влаги в верхний слой зерна, одновременно увеличивается количество испаренной влаги из нагретого зерна в процессе охлаждения. При этом влажность верхнего и нижнего слоев зерна снижается соответственно на 0,7 и 1,3% (рис.2). Полученные экспериментальные данные подтверждают вывод о необходимости в процессе «драйаэрации» установления оптимального значения скорости охлаждения зерна после сушки для максимального испарения из него влаги за счет теплоты, ранее пошедшей на нагрев зерна. При этом после охлаждения температура зерна в нижнем и верхнем слоях зерновой насыпи была соответственно на 2,7 и 1,7 ниже температуры охлаждающего воздуха.


Рис.2. Изменение температуры и влажности слоя нагретого зерна в процессе охлаждения: начальная влажность зерна 16,9%, температура 540С; температура охлаждающего воздуха 200С; скорость фильтрации воздуха 3,5 м/с; удельная подача воздуха 87 м3/(ч.т); высота слоя зерна 2 м.

Увеличение влажности верхнего слоя зерна при низких скоростях фильтрации воздуха объясняется сорбцией влаги на поверхность зерна из воздуха, являющегося в этом случае сушильным агентом и имеющим повышенное влагосодержание за счет испарения влаги из нижних слоев. Для зерна риса в слое высотой 6 м увеличение влажности в верхнем слое при охлаждении может достигать 0,5-0,8%. С увеличением скорости фильтрации воздуха и снижением высоты слоя сорбция влаги в верхнем слое и разница по влажности верхнего и нижнего слоя существенно уменьшается.
Минимальную скорость фильтрации воздуха при активном вентилировании нагретого зерна, при которой не будет происходить его увлажнение в верхнем слое можно назвать условно «критической скоростью вентилирования». В общем случае она будет зависеть от начальной влажности и температуры зерна, высоты слоя, начальной температуры и относительной влажности охлаждающего воздуха.
В диапазоне высоты слоя зерна риса и пшеницы от 2 до 6 м, температуры 40-500С, влажности 16,2-17,0%, охлаждаемого воздуха температурой 10-200С при относительной влажности 50-80% эту величину можно определить по эмпирической зависимости:
Vкр = 0,6 + 2,3Н0 ,  (1)
где  Vкр – «критическая» скорость вентилирования, см/с; 
Н0 - высота слоя зерна, м.

Продолжительность охлаждения зерна риса при равной начальной влажности и температуре несколько меньше, чем зерна пшеницы, одновременно больше величина снижения влажности, что объясняется более интенсивным испарением влаги из цветковых пленок зерна риса.
С ростом скорости фильтрации воздуха с 5-7 до 15-20 см/с продолжительность охлаждения уменьшается в среднем для зерна риса с 10 до 3,5 ч, а для зерна пшеницы с 12 до 5 ч. При этом съем влаги для зерна риса возрастает с 1,2 до 1,7%, для зерна пшеницы – с 0,5 до 1,5% (рис.3а).


Рис. 3. Изменение влажности (а) и продолжительности (б) охлаждения слоя зерна от скорости фильтрации воздуха: 
а – начальная влажность зерна Wн =16,7%, начальная температура зерна ?н =49,7°С, температура охлаждающего воздуха t0 = 17,5°С, высота слоя зерна Н0 =4,2м;
б – начальная влажность зерна пшеницы Wн =15,2%, 2 – 17,0, 3 – 18,3. Начальная температура ?н =46,6°С, температура охлаждающего воздуха t0 = 19,5°С, высота слоя зерна Н0 =1,6м.

С увеличением начальной влажности зерна увеличивается количество испаряемой влаги и уменьшается продолжительность охлаждения (рис.3б). При скорости фильтрации воздуха 4,9 см/с для слоя зерна пшеницы высотой 1,6 м с увеличением начальной влажности зерна с 15,2 до 18,2% величина снижения влажности возрастает с 0,75 до 1,25%, а при скорости фильтрации 12,2 см/с - с 1,45 до 2,75%. При этом продолжительность охлаждения при низких скоростях фильтрации незначительно зависит от влажности зерна, но с увеличением скорости фильтрации воздуха влияние влажности зерна возрастает. При скорости фильтрации воздуха 12,2 см/с и увеличении влажности зерна с 15,2 до 18,0% продолжительность охлаждения снижается с 6,3 до 4,3 часов.
Полученные результаты по количеству испаренной влаги из нагретого зерна и продолжительности охлаждения удовлетворительно согласуются с данными [2,3].
Для расчета продолжительности охлаждения нагретого слоя зерна и величины снижения влажности получены уравнения регрессии: 
- для зерна пшеницы:
? =7,58 + 0,75 Н0 - 0,15 Wн  + 0,35(?н - t0) - 0,67Vф , (2)
?W = 0,33 Wн  - 0,24 Н0 - 0,02(?н - t0) + 0,09Vф - 3,78, (3)
- для зерна риса:
? =12,76 + 1,99 Н0 - 1,09 Wн + 0,34(?н - t0) - 0,45Vф , (4)
?W = 0,42 Wн - 0,26 Н0 - 0,065(?н - t0) + 0,05Vф - 3,0, (5)
Множественные коэффициенты корреляции уравнений (2) и (3) составляют 0,93 и 0,94; уравнений (4) и (5) - 0,97 и 0,98.
Область определения уравнений (2) и (3): 1,6 ? Н0 ?4,4м; 15,1 ? Wн ? 18,5%; 23,8 ? (?н - t0) ? 35,8°С; 4,2 ? Vф ? 16,0 см/с; 43,3 ? ?н < 53,0°С; 15,1 ? t0 ?19,8°С.
Область определения уравнений (4) и (5): 2,0 ? Н0 ? 6,0м; 16,2 ? Wн ? 17,2%;  24,7 ? (?н - t0) ? 37,0°С; 4,2 ? Vф ? 16,5 см/с; 37,1 ? ?н ? 55,0°С; 8,0 ? t0 ? 20,0°С.
В практике активного вентилирования на элеваторах и хлебоприемных предприятиях используется величина удельных подач воздуха q (м3/(ч-т) представляющая собой отношение расхода воздуха на одну тонну вентилируемого зерна. С учетом этого параметра получены уравнения регрессии для зерна пшеницы и риса при расчете продолжительности вентилирования и величины снижения влажности:
? =ехр[5,02 - 0,15 Wн - 0,059(?н - t0) - 0,005lq],   (6)
?W = 0,337 W н + 0,16(?н - t0) + 0,004 q - 5,59,   (7)

Множественные коэффициенты корреляции уравнений (6) и (7) составляют 0,92 и 0,91.Область определения уравнений (6) и (7): 15,1 ? Wн ? 18,5%; 23,8 ? (?н - t0) ? 35,2°С; 19 ? q ? 375.
Уравнения (6) и (7) отражают теплофизические процессы, происходящие в слое нагретого зерна при его охлаждении. Так, продолжительность охлаждения уменьшается с ростом начальной влажности зерна за счет испарения влаги, а также с увеличением удельных подач воздуха, за счет увеличения скорости его фильтрации, и снижения температуры охлаждающего воздуха. Величина снижения влажности увеличивается с ростом начальной влажности и температуры зерна, а также удельных подач воздуха за счет увеличения его скорости в указанном диапазоне изменения этих параметров.
Полученные результаты послужили основанием для разработки режимов охлаждения зерна в технологиях «драйаэрации» при ее производственной проверке на различных зерносушилках и системах активного вентилировании [4].


Выводы.
Приведенные исследования показывают, что процессе «драйаэрации» происходит не только выравнивание зерновой массы по влажности и температуре, но и досушивание зерна. Вместе с тем, эффективность этого процесса существенно зависит от режимных параметров. Полученные данные подтверждают вывод о необходимости в процессе «драйаэрации» установления оптимального значения скорости охлаждения зерна после сушки для максимального испарения из него влаги за счет теплоты, ранее затраченной на нагрев зерна.

Установлена минимальная скорость фильтрации воздуха при активном вентилировании нагретого зерна в зависимости от высоты слоя в области исследуемых параметров, при которой не будет происходить его увлажнение в верхнем слое, которую предложено назвать условно «критической скоростью вентилирования».

Для расчета продолжительности охлаждения нагретого слоя зерна пшеницы и риса-зерна и величины снижения влажности получены уравнения регрессии в зависимости от скорости фильтрации воздуха, высоты слоя, начальной влажности зерна, разницы между температурой нагретого зерна и охлаждающего воздуха, а также от удельных подач воздуха для практического использования.


Список литературы.
1. Сорочинский В.Ф. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна на основе интенсификации тепломассообменных процессов: дис. докт.техн.наук. М., 2003.
2. Есаков В.Т. Двухстадийная энергосберегающая сушка зерна на предприятиях АПК: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1986.
3. Анискин В.И. Технологические и технические решения проблемы сохранности зерна в сельском хозяйстве: автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 1985.
4. Сорочинский В.Ф. Применение активного вентилирования в технологии двухстадийной сушки зерна (Четвертая Междун. научно-практич. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка) (СЭТТ-2011)» (20-23 сентября 2011, Москва, Россия): сборник трудов, том 2, секция 4 / ФГОУ МПО МГАУ им. В.П. Горячкина. - М., 2011. - С. 26-32.
 
 

---