Определение полей влагосодержания при сушке на модели зерновки

Установлено, что в процессе сушки и гидротермической обработки зерна возникает значительная неравномерность во влагосодержании центральных и поверхностных частей зерновки вызванная низким значением коэффициента диффузии влаги. При этом величина критерия Лыкова составляет Lu = 10^-3 [1]. Это вызывает внутреннее напряжение в зерновке и может привести к ее растрескиванию. Прежде всего, это касается зерна подверженного трещинообразованию: риса, кукурузы, бобовых культур. Исследования полей влагосодержания ранее были проведены прямым методом на модельном теле зерновки нута [2], однако представляется целесообразным увеличить область определения расчетных зависимостей для уточнения максимального значения градиента влагосодержания и времени наступления этого значения при различной начальной влажности зерна, температуре и скорости фильтрации сушильного агента.

Дополнительные исследования проводили на экспериментальной установке для определения полей влагосодержания на модельном теле зерновки нута прямым методом. Установка состоит из экспериментальной ячейки диаметром 100 мм, и высотой 200 мм, на сетчатом дне которой располагаются слоем в одно зерно зерновки заданной начальной влажности; аэродинамической трубы на которой с помощью электромагнита устанавливается экспериментальная ячейка; вентилятора, просасывающего воздух через электрокалорифер с регулируемым количеством секций, и после нагрева, подающего его через регулирующую заслонку и диафрагму в аэродинамическую трубу.

Расход воздуха измеряется при помощи микроманометра, температура внутри зерновки и сушильного агента – хромель-копелевыми термопарами в комплекте с автоматическим потенциометром, температура и относительная влажность атмосферного воздуха измеряется психрометром.

Для подготовки зерновок к опытам используется термостат. Разрезание зерновок с выделением шарового сегмента осуществляется специальным устройством с параллельно расположенными ножами, а выделение составных частей шарового сегмента – пробойником с цилиндрическими ножами. Взвешивание составных частей зерновки осуществляется на торсионных весах типа ВТ. Сушка выделенных образцов осуществляется в специальных кюветах из фольги – в сушильном шкафу типа СЭШ-3М. Влажность составных частей зерновок определяли по убыли массы по стандартной методике ГОСТ 13586.5-93.

Для одной пробы используются по три зерновки. При этом определяется влажность центральной, средней и поверхностных частей зерновок при отборе опытных образцов в процессе сушки, а также контрольно определяется средняя влажность зерновок (рис. 1).


Опыты проведены при начальной влажности зерна от 18,9 до 46,3%, температуре агента сушки от 35 до 70°С и скорости фильтрации сушильного агента от 0,3 до 1,0 м/с. Продолжительность опытов составляла до 180 мин. Экспериментальными исследованиями распределения полей влагосодержания в зерновке в процессе сушки установлено значительное различие влагосодержания центра и поверхности зерновки. При этом в процессе сушки достижение максимальных значений этого различия наблюдается в зависимости от ее начальной влажности (рис. 2).


Как видно из графика, максимальное различие для высоковлажного модельного тела зерновки нута при данных условиях достигает 2–10°С. То есть поверхность зерновки может быть пересушена, а в центре оставаться избыточная влажность, что вызывает внутреннее напряжение в зерновке и может привести к ее растрескиванию. Кроме того, пересушивание поверхности зерновок и углубление зоны испарения внутрь зерновки снижает интенсивность влагообмена, скорость сушки и увеличивает энергозатраты на сушку.

При определении градиента влагосодержения в зерновке (рис. 3) в соответствии с [3] учитывалось изменение ее диаметра от 6,4 до 8,3 мм в диапазоне влажности от 15 до 45% по зависимости:
D_экв. = 5,45 + 0,063 W,    (1)
где W – текущая влажность зерна, коэффициент достоверности уравнения составляет R² = 0,9354.
Рис. 3. Изменение влагосодержания между центром и поверхность зерновки в процессе сушки: температура сушильного агента t = 50°С, скорость фильтрации V_ф = 0,5 м/с.

Как видно из графика, градиент влагосодержания в зерновке достигает значительных величин и имеет, в диапазоне влажности зерновки от 18,9 до 36,2%, при температуре сушильного агента 50°С и скорости его фильтрации 0,5 м/с, максимальное значение от 20 до 100 кг/(кг×м).

В достаточно широком диапазоне влажности зерна, температуры и скорости фильтрации сушильного агента получено уравнение регрессии для расчета значений максимального градиента влагосодержания:
ÑU_max = 6,87W_н + 0,17t_с.а. + 27,0 V_ф – 132,3,   (2)

где ÑU_max – значение максимального градиента влагосодержание в зерновке, кг/(кг×м), W_н = 18,9 – 46,3%, t_с.а. = 35 – 70°С, и V_ф = 0,3 – 1,0 м/с – соответственно, начальная влажность зерна, температура сушильного агента и скорость его фильтрации. Коэффициент достоверности уравнения составляет R² = 0,8554.

Установлено, что значение максимального градиента влагосодержания увеличивается как с ростом начальной влажности зерна, так и температуры, и скорости фильтрации сушильного агента, что не противоречит физическому смыслу, вследствие значительной инерционности поля влагосодержания в зерновке.
Актуальным является вопрос и о времени достижения максимального значения влагосодержания в зерновке в зависимости от параметров процесса: начальной влажности зерна, температуры и скорости фильтрации сушильного агента, что позволит определить рациональные режимы сушки. В том же диапазоне изменения параметров результаты экспериментов обработаны в форме уравнения регрессии:
t_max= 267, 4 – 1,77W_н – 2,26t_с.а. -50,0 V_ф ,  (3)
где t_max – время достижения максимального значения градиента влагосодержания между центром и поверхностью зерновки, мин; коэффициент достоверности уравнения составляет R² = 0,9251.

Данная информация важна при разработке режимов сушки. Зная время наступления максимального градиента влагосодержания в зависимости от режимов сушки, можно проектировать зоны термостатирования (отлежки) в сушильных шахтах, а также направить зерно на отлежку в тепломассообменник рециркуляционных зерносушилок для снижения напряжений в зерновке и выравнивания влажности между ее центром и поверхностью.

В заключение статьи следует отметить следующее:

1. Проведенные экспериментальные исследования полей влагосодержания в процессе сушки на модельном теле зерновки нута показали, что в зависимости от режимных параметров различия по влажности между центром и поверхностью зерновки могу достигать значительных величин. Для влажного и высоковлажного зерна эти значения могут составлять соответственно до 2 и 10%.
2. Установлено, что время достижения максимальных значений градиента влагосодержания зависит от начальной влажности зерна, температуры и скорости фильтрации сушильного агента и с их увеличением уменьшается. По экспериментальным данным получено расчетное уравнение для определения этого значения, а также расчетное уравнение для определения максимального значения градиента влагосодержания.
3. Результаты исследования могут служить основанием для разработки режимов сушки зерна, прежде всего подверженного трещинообразованию, и определения зон его термостатирования в шахтных и рециркуляционных зерносушилках при их проектировании, для снижения энергозатрат при сушке.

Список литературы

1. Егоров Г.А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна [Текст] / Г.А. Егоров. – М.: Колос,1973. – 264 с.
2. Сорочинский В.Ф. Изменение коэффициентов диффузии влаги и массоотдачи единичной зерновки в процессах сушки и охлаждения [Текст] / В.Ф. Сорочинский //Первая Междунар. научно-практ. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) (СЭТТ–2002)» (28–30 мая 2002, Москва, Россия): сборник трудов (секционные доклады, Т.4) / Моск. гос. агроинж. ун-т им. В.П. Горячкина. – Москва, 2002. – С. 76–79.
3. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок [Текст] / А.С. Гинзбург. – М.: Агропромиздат, 1985. – 336 с.

Владимир Федорович Сорочинский,
Алексей Львович Догадин
ВНИИЗ - филиал ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН

Статья опубликована в сборнике:
Сушка, хранение и переработка растениеводства: сборник научных трудов Междунар. научно-технич.семинара, посвящ. 175-летию со дня рождения К.А.Тимирязева (22-23 мая 2018 г.). – М. Изд-во «Перо», 2018. – С.40-44.