Расчёт производительности отечественных и зарубежных зерносушилок
В России возделывается около 30 видов зерновых, зернобобовых и масличных культур. Эти культуры существенно различаются по своим физическим, теплофизическим и биохимическим свойствам, что определяет существенные различия в технологии сушки и, как следствие, в производительности зерносушилок. В связи с этим на предприятиях часто возникают вопросы по определению производительности зерносушилок при сушке зерна разной начальной влажности.
В настоящее время существуют 2 подхода к представлению технических характеристик зерносушилок в паспортах и рекламных проспектах по важнейшим показателям: производительности и удельным энергозатратам на сушку.
В нашей стране различные зерносушилки сравнивают по производительности и эффективности сушки с учётом Инструкции [2]. При этом за единицу производительности принимают так называемую плановую тонну(плановую единицу) при снижении влажности на 6% (с 20 до 14%) при температуре зерна после сушки, не превышающей температуру атмосферного воздуха на 10°С.
Для сравнения различных зерносушилок и определения массы просушенного зерна используют коэффициенты пересчёта массы просушенного зерна в плановые единицы: Кв – в зависимости от влажности зерна соответственно до и после сушки; Кк – в зависимости от культуры и назначения зерна. Значения этих коэффициентов приведены в соответствующих таблицах. Коэффициенты пересчёта массы просушенного зерна в плановые единицы, в зависимости от влажности зерна до и после сушки, приведены для всех культур одинаковыми (рис. 1), за исключением семян подсолнечника продовольственного назначения.
Производительность зерносушилок уточняют с помощью коэффициента пересчёта массы просушенного зерна в плановые единицы, который изменяется от 0,8 (гречиха) до 3,08 (кукуруза для пищеконцентратной промышленности).
Такой подход к расчёту производительности зерносушилок достаточно эффективен, так как позволяет определить этот показатель при различных начальных и конечных значениях влажности зерна и требуемое количество топлива для сушки заданного количества плановых тонн зерна. Однако с введением коэффициента пересчёта становится неопределённым сравнение зерносушилок при сушке разных культур относительно затрат топлива на сушку одной плановой тонны.
Подавляющее большинство зарубежных производителей зерносушилок предлагают потребителям длинный параметрический ряд сушилок для каждого значения производительности с разными массой и габаритными размерами. При этом каждая фирма приводит для своей конструкции зерносушилки показатели производительности только по двум-трём зерновым культурам при некотором заданном съёме влаги (как правило, 3-5%), а также указывает единые удельные значения расхода топлива при фиксированных атмосферных условиях. При таком подходе для указанных в рекламных проспектах зерновых культур предоставляется достаточно полная информация о технико-экономических показателях зерносушилок при определённых условиях. Однако остаются неясными значения этих показателей при изменении величины съёма влаги, а также для большинства остальных зерновых и масличных культур, не указанных в рекламных проспектах.
В настоящее время в зерносушильном парке России эксплуатируется около 30 наименований различных типов зарубежных зерносушилок: США – FARM FANS, QED, MEYER, DELUX, Mini-Max, Mathews, Cukup, NECO; Германия – PETKUS, NEUERO, Schmidt-Seeger, MONSUM LACHENMEIER, RIELA; Дания – CIMBRIA, CROCUS; Швеция – TORNUM; Финляндия – ANTTI, MEPU; Польша – ARAJ, AG – PROJEKT; Франция – LAW; Аргентина – MEGA; Турция – ТЕСО; Италия – AGREX, MULMIX, MECMAR, PEDROTTI; Украина – ДСП-10/20/25; А1 -ДСП-50 и др., а также зерносушилки отечественных производителей: АО «Брянсксельмаш», ОАО «Воронежсельмаш», АО «Мель-инвест», ЗАО «Агропромтехника», ОАО «Тверьсельмаш», ЗАО «Сибирский Агропромышленный Дом». В связи с этим целесообразно обобщить известные данные по производительности зерносушилок при сушке различных культур и получить средние расчётные данные по изменению производительности зерносушилок при различном съёме влаги.
Это очень важно не только при выборе зерносушилок предприятиями и организациями для нового строительства, но и для определения производительности действующей зерносушилки при сушке зерновых культур, обладающих различными свойствами и начальной влажностью.
Известно, что зерно разных культур существенно отличается по своим теплофизическим характеристикам: теплоёмкости; тепло- и температуропроводности; гигроскопичности, характеризуемой равновесным влагосодержанием и средней удельной изотермической массоёмкостью; объёмной массе; скважистости (порозности); сыпучести; геометрическим размерам и др.
Теплофизические характеристики определяют статику и кинетику процесса сушки зерна, режимы сушки и конструкцию сушильных установок. Теплоёмкость определяет количество теплоты, необходимой для испарения влаги из зерна, и изменяется в достаточно широких пределах для зерна различных культур. Например, при температуре 20°С удельная теплоёмкость абсолютно сухих веществ зерна пшеницы, сои, риса, кукурузы, подсолнечника и рапса составляет соответственно 971, 1278, 1314, 1550, 1714 и 2244 Дж/(кг·К), т.е. различается в 1,7-2.3 раза [3,4].
Для слоя зерна изменяются также коэффициенты тепло- и температуропроводности. Так, для высоковлажного слоя зерна пшеницы и риса при температуре 25-30°С коэффициент теплопроводности равен соответственно 0,115 и 0,107 Вт/(м·К), а коэффициент температуропроводности – 8,43-10-8 и 8,24-10-8 м2/с. Для единичных зерновок этих культур значение коэффициента теплопроводности существенно выше и составляет соответственно 0,345 и 0,244 Вт/(м·К), т.е. изменяется в 1,4 раза [1].
Для разных зерновых культур существенно изменяются и другие тепло-массообменные характеристики: коэффициенты диффузии и термодиффузии влаги, массоотдачи и др.
Важное значение для организации процесса сушки имеет также влажность зерна после сушки, при которой обеспечивается устойчивое хранение зерна при нормальных условиях. Например, при относительной влажности воздуха 70% и его температуре 20°С равновесная влажность зерна кукурузы и пшеницы составляет 14,9 и 14,3%, риса – 13,7, сои – 11, а рапса и подсолнечника – 8,5 и 7,5%, т.е. для злаковых и масличных культур она различается в 1,7-2 раза.
При этом геометрические размеры (толщина, ширина и длина) семян указанных культур, во многом определяющие конструктивные особенности зерносушилки и применяемые для идентификации зерна, изменяются в следующих пределах, мм: для кукурузы – соответственно 2,5-8; 5-11,5 и 5,5-13,5; для пшеницы – 1,4-3,1; 1,4-3,8 и 4,6-7; для риса – 1,2-2,8; 2,5-4,3 и 5-12; для сои – 6,1-13; 6,2-11,8 и 4-8,7; для рапса –1,5-2,5 (диаметр); для подсолнечника – 1,7- 6; 3,5-8,6 и 7,5-15 (ТР ТС 015/2011 «О безопасности зерна»).
Зерно живой организм, и нагрев его в процессе сушки при определённых условиях оказывает влияние на содержащиеся в зерне белки, углеводы, жиры, клетчатку, витамины и минеральные вещества. Нагрев ускоряет послеуборочное дозревание и повышает качество зерна. Однако превышение максимально допустимой температуры и продолжительности нагрева, а в некоторых случаях и скорости нагрева, может привести к ухудшению его качества и к потере хлебопекарных, семенных и других свойств.
В связи с этим для каждой зерновой культуры существуют свои режимы сушки, которые будут также зависеть и от конструктивных особенностей зерносушилок. Вместе с тем изменение производительности разных зерносушилок при изменении величины съёма влаги для одинаковых зерновых культур не должно сильно различаться, так как определяется ограничениями по режимам сушки.
На основе этого предположения, используя методы математической статистики и зная производительность зерносушилки при сушке основной зерновой культуры – пшеницы, можно рассчитать производительность прямоточных зерносушилок при сушке другой зерновой культуры.
Для обобщения результатов и пересчёта производительности были рассмотрены показатели ведущих зарубежных и отечественных зерносушилок, указанные в паспортах и рекламных проспектах, а также опубликованные в статьях. При этом температура сушильного агента при сушке зерна пшеницы, по сравнению с другими культурами, изменялась в пределах 70-95°С. Начальная влажность зерна пшеницы была 18-20%, конечная – 14-15%, величина снижения влажности при сушке зерна пшеницы составила 4-6%.
Для пересчёта производительности зерносушилок с сушки пшеницы на сушку кукурузы были использованы данные по наибольшему количеству зерносушилок, из которых 13 были шахтные («Торнум», «Риела», «Ноэро», «Петкус», «Бюлер-Миаг», «Веста», «АГ-Проект», «Арай», «Джевич», «Феерум», «Кимбрия», «Антти», ДСП), 6 – колонковые («Астра»; «Метьюз», «Бенталл», «Делюкс», «Фарм Фанз», СЗМ), одна – жалюзийная («Мега»), одна – башенная («Мейер») и одна – передвижная («Агрекс»), т.е. всего 22 зерносушилки различных типов и конструкций.
Температура сушильного агента при сушке кукурузы изменялась в диапазоне 90-125°С при температуре атмосферного воздуха 10-20°С и его относительной влажности 60-75%. Начальная влажность зерна кукурузы достигала 20-35%, конечная –14-15%, снижение влажности составило 5-21%.
В результате обработки данных получено следующее уравнение регрессии, в зависимости от величины съёма влаги по зерну пшеницы (?Wпш) и кукурузы (?Wкук):
Множественный коэффициент корреляции R2 = 0,912.
Для пересчёта производительности зерносушилок с сушки зерна пшеницы на сушку семян подсолнечника были использованы показатели работы 11 зерносушилок различных типов и конструкций: шести шахтных – «Веста», ДСП, «Риела», «АГ-Проект», «Арай», «Антти»; четырёх колонковых – СЗ, СЗК, «Метьюз», «Фарм Фанз»; одной жалюзийной – «Мега».
Температура сушильного агента при сушке семян подсолнечника изменялась от 75 до 95°С при температуре атмосферного воздуха 15-20°С и его относительной влажности 65-75%; начальная влажность семян подсолнечника – 13-25%, конечная – 6,5-10%, снижение влажности – 6-18,5%.
В результате обработки данных получено следующее уравнение регрессии:
Множественный коэффициент корреляции R2 = 0,868.
Для пересчёта производительности зерносушилок с сушки зерна пшеницы на сушку семян рапса были использованы показатели работы семи разных конструкций: пяти шахтных – «Ноэро», «АГ-Проект», «Джевич», М819, «Антти»; одной колонковой – «Метьюз» и одной жалюзийной – «Мега».
Температура сушильного агента при сушке семян рапса изменялась в диапазоне 60-90°С при температуре атмосферного воздуха 15-20°С и его относительной влажности 60-75%; начальная влажность рапса была 12-22%, конечная – 6-12%, снижение влажности составило 3-10%.
В результате обработки данных получено уравнение регрессии:
Множественный коэффициент корреляции R2 = 0,873.
Для пересчёта производительности зерносушилок с сушки зерна пшеницы на сушку зерна риса были использованы показатели работы зерносушилок «Кимбрия» и «Агрекс», а также данные Инструкции по сушке зерна [2].
Температура сушильного агента при сушке зерна риса изменялась от 60 до 70'С при температуре атмосферного воздуха от 15 до 20°С и его относительной влажности от 60 до 70%; начальная влажность риса – 19-22%, конечная – 14-19%, снижение влажности-3-6%.
В результате обработки данных получено уравнение регрессии:
Множественный коэффициент корреляции R2 = 0,937.
Для пересчёта производительности зерносушилок с сушки пшеницы на сушку сои были использованы показатели работы зерносушилок «Метьюз», «Делюкс» и «Мейер», а также Инструкция по сушке зерна [2].
Температура сушильного агента при сушке зерна сои изменялась от 50 до 60°С при температуре атмосферного воздуха от 15 до 20°С и его относительной влажности 50-60%. Начальная влажность зерна сои составляла 18-20%, конечная – 13-14%, снижение влажности – 4-6%.
В результате обработки данных получено следующее уравнение регрессии:
Множественный коэффициент корреляции R2 = 0,97.
Изменение коэффициентов пересчёта производительности зерносушилок при сушке зерна кукурузы при снижении влажности зерна пшеницы на 4-6% (с 18-20 до 14%) в качестве примера показано на рис. 2.
Таким образом, в результате обобщения данных по производительности зарубежных и отечественных зерносушилок получены уравнения регрессии для пересчёта производительности зерносушилок при сушке зерна пшеницы на сушку зерна кукурузы, подсолнечника, рапса, риса и сои при разных значениях их начальной влажности. Использование для расчётов полученных уравнений регрессии позволит правильно спланировать сушку зерна различных культур и обосновать необходимые энергозатраты.
Литература
1. Жидко, В.И. Зерносушение и зерносушилки / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, B.C. Уколов. – М.: Колос, 1982. – 239 с.
2. Инструкция по сушке продовольственного, кормового зерна, масло-семян и эксплуатации зерносушилок № 9-3-82. – М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1982. – 61 с.
3. Никитина, Л.М. Термодинамические параметры и коэффициенты мас-сопереноса во влажных материалах / Л.М. Никитина. – М.: Энергия, 1968. – 500 с.
4. Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов / Под ред. проф. А.С. Гинзбурга. – М.: Пищевая промышленность, 1975. – 224 с.
В.Ф. Сорочинский, доктор техн. наук
Статья опубликована в журнале:
Хлебопродукты. – 2015. – №2. – С.45-47.