Новый показатель эффективности технологической системы сушки зерна

Известно, что работу зерносушилок характеризуют такие традиционные показатели, как производительность, материалоёмкость, удельные затраты топлива и электроэнергии. По аналогии с технологическими процессами в различных отраслях пищевой промышленности [1], эффективность сушки зерна может также определяться показателями стабильности отдельных подсистем процесса сушки, характеризуемого показателем уровня целостности.

В данном случае сушка зерна рассматривается как непрерывный технологический поток, представляющий собой совокупность технологических операций и процессов. Однако сравнительный анализ различных технологий сушки по уровню целостности технологического процесса до настоящего времени не осуществлялся. Не разработаны операторные модели процесса, не определены показатели стабильности отдельных его подсистем. В то же время «...стабильный процесс – это процесс, утвердившийся на определённом уровне устойчивости. И, если устойчивость характеризует качество функционирования системы, то стабильность – уровень организованности, целостности системы, уровень её развития» [2].

Сохранение и улучшение качества зерна при сушке обеспечивается применением различных технологических схем и режимов.

Следует отметить общие особенности всех технологических систем высокотемпературной сушки зерна:

• приём и хранение зерна до сушки в объёмах, обеспечивающих стабильную работу зерносушильного оборудования;
• предварительная очистка зерна и формирование партий зерна, однородных по своим показателям и назначению;
• формирование транспортных потоков зерна, обеспечивающих технологическую схему сушки (прямоточную, рециркуляционную, с предварительным нагревом или без предварительного нагрева зерна);
• подготовка сушильного агента заданных параметров и распределение его по зонам сушки;
• подготовка охлаждающего воздуха, в том числе с использованием искусственного холода;
• проведение тепломассообменных процессов (предварительный нагрев, отлёжка, сушка и охлаждение зерна);
• выгрузка и формирование партий зерна с заданными параметрами;
• активное вентилирование зерна, в том числе с дополнительным охлаждением и досушкой в процессе охлаждения;
• хранение зерна.

Сушке подвергается зерно различных злаковых, зернобобовых и масличных культур, различающихся совокупностью физических, физико-химических и биохимических характеристик. Трудности технологического характера при сушке возникают также из-за поступления зерна различного качества с широким диапазоном влажности, засорённости и других показателей. Изменение этих свойств влияет на выбор параметров технологических процессов, режимы сушки, выбор зерносушилки и качество просушенного зерна.

Важнейшей характеристикой зерна является термоустойчивость, которая определяется его влажностью, температурой и продолжительностью нагрева, температурой сушильного агента. В процессе сушки, термостатирования и охлаждения зерно претерпевает ряд глубоких изменений, связанных с биохимическими и физико-химическими превращениями, а также изменения его коллоидной и капиллярно-пористой структуры.

Метод системного анализа позволяет определить основные критерии технологических потоков при сушке зерна и их взаимодействие с внешней средой. При этом только совокупность вышеперечисленных операций может обеспечить сушку зерна и сохранение его качества, т.е. технологический поток представляет собой целостную систему процессов, а характеристикой технологического потока, отражающей меру его организованности и системности, определяемой в результате диагностики, является уровень целостности.

Для количественной оценки различных уровней организации технологических процессов и расчёта уровня целостности технологической системы по показателям стабильности её составляющих появилась возможность объективно оценить надёжность функционирования технологических систем сушки зерна.

Основные структурные схемы технологических систем высокотемпературной прямоточной сушки зерна с предварительным нагревом либо без него, а также высокотемпературной рециркуляционной сушки зерна с нагревом сырого зерна от рециркулирующего либо в специальных аппаратах состоят в общем случае из следующих статистически зависимых подсистем: сушки зерна А; предварительного нагрева зерна В; подготовки сушильного агента и теплоносителя С; досушивания зерна при активном вентилировании А1 (при использовании технологии двухстадийной сушки зерна). В качестве примера на рисунке показана операторная модель двухстадийной сушки зерна.
При расчёте стабильности отдельных подсистем показатель качества подсистемы считался негодным в следующем случае: температура теплоносителя отклонялась от режимного параметра на 5°С; температура нагрева зерна – на 3°С; влажность зерна после сушки – на 0,5%; температура зерна после охлаждения на 10°С превышала температуру атмосферного воздуха. Диагностику зерносушилок проводили с учётом данных протоколов приёмочных испытаний.
Уровень целостности технологической системы Q_СВАА1 рассчитывали по методике, предложенной В.А. Панфиловым и О.А. Ураковым [2], как сумму слагаемых стабильности отдельных подсистем
 
Q_СВАА1 = h_C + h_А/СВ +h_А1/СВА – 3, (1) 
где h_C, h_А/СВ, h_А1/СВА – условная стабильность подсистемы соответственно: С; В относительно С и А; А относительно С и В; подсистемы А1 относительно С, В и А.
На основании анализа технологических схем и операторных моделей различных высокотемпературных зерносушилок, эксплуатируемых на элеваторах, хлебоприёмных и зерноперерабатывающих предприятиях, были определены показатели стабильности отдельных подсистем и уровни целостности технологических систем сушки зерна (табл.1). Установлено, что максимальный уровень целостности, равный – 0,11, имела простая в технологическом отношении прямоточная зерносушилка ДСП-32от, состоящая из двух подсистем. При этом показатели стабильности подсистем сушки зерна и подготовки сушильного агента составляли соответственно 0,29 и 0,6. У рециркуляционной зерносушилки с предварительным нагревом зерна РД2х25, имеющей три подсистемы, уровень целостности составил – 0,23, а показатели стабильности подсистем – соответственно 0,69; 0,42 и 0,66.

Указанные сушилки имеют довольно низкий коэффициент полезного действия (КПД), равный 49-51%, так как в их конструкции не предусмотрены дополнительные устройства для экономии топлива: утилизации отработавшего теплоносителя, сушильного агента, охлаждающего воздуха и т.д. Низкие показатели стабильности подсистем сушки зерна объясняются в основном недостаточным уровнем автоматизации и регулирования процессов сушки и предварительного нагрева зерна. Показатель стабильности подсистемы сушки у зерносушилки РД2х25 выше, чем у зерносушилки ДСП-32от. Это обусловлено тем, что в зерносушилке ДСП-32от основной процесс сушки протекает на стадии нагрева зерна, что может вызвать его перегрев из-за неравномерного движения зерна по шахте, а в зерносушилке РД2х25 – на стадии охлаждения зерна.

У рециркуляционной зерносушилки А1-УЗМ самые низкие показатели стабильности подсистем предварительного нагрева и сушки зерна, подготовки сушильного агента – соответственно 0,28; 0,28 и 0,46, а уровень целостности составил – 0,98. Это объясняется сложной технологической схемой сушилки и нестабильной работой подогревателя зерна, вынужденного обеспечивать максимально возможную температуру нагрева рециркулирующего зерна в целях увеличения температуры смеси сырого и рециркулирующего зерна в тепломассообменнике зерносушилки. В данной сушилке непостоянна и температура сушильного агента, поступающего в газонапорную камеру после нагревателя зерна. Эта температура зависит от режима работы нагревателя. В такой зерносушилке повышен удельный расход электроэнергии на сушку зерна для обеспечения транспортных потоков зерна по принятой технологической схеме сушки.

Уровень целостности технологических систем указанных зерносушилок можно повысить за счёт увеличения стабильности подсистемы сушки зерна. Для этого целесообразно применить технологию двухстадийной сушки, когда активное вентилирование используется не только для охлаждения, но и для досушивания зерна. Тогда появляется возможность использовать мягкие режимы сушки, отлёжку зерна на различных стадиях сушки, охлаждение зерна после сушки до температур, близких к температуре атмосферного воздуха, а также предотвратить пересушивание зерна, сохранив его качество и снизив энергозатраты. При этом расширение функциональных возможностей элементов технологической системы, связанное с введением дополнительной подсистемы, опережает рост их сложности.

По результатам исследовательских и приёмочных испытаний была диагностирована двухстадийная сушка зерна риса в зерносушилках РД2х25-70, ДСП-32от, в системах активного вентилирования в силосах элеватора У1 -УВС и в зерноскладах СВУ-2. В соответствии со структурными схемами технологических систем сушки были разработаны их операторные модели. Результаты диагностики показали, что применение двухстадийной сушки приводит к увеличению уровня целостности системы за счёт повышения стабильности основной подсистемы сушки зерна (табл. 2).
Параметры процесса сушки зерна измеряли в течение 10-12 ч при установившемся режиме работы сушилки. Для измерения влажности зерна образцы отбирали через каждые 30 мин с формированием одной пробы за 2 ч. Температуру сушильного агента, теплоносителя, охлаждающего воздуха и зерна на входе в сушилку, максимальную при сушке и после охлаждения измеряли также через каждые 30 мин.

Для технологической системы двухстадийной сушки зерна уровень целостности зерносушилок ДСП-32от и РД2х25 вырос, благодаря повышению стабильности основной подсистемы сушки зерна. Это достигнуто за счёт снижения неравномерности сушки при повышении производительности сушилки по новой технологии и предотвращения пересушивания зерна. Одновременно снизились колебания влажности и температуры просушенного зерна, вследствие его досушивания и охлаждения до безопасной температуры в подсистеме активного вентилирования. Применение технологии двухстадийной сушки зерна наиболее перспективно при его досушивании и активном вентилировании в силосах элеваторов с контролируемой подачей атмосферного воздуха.

С повышением уровня целостности системы и стабильности отдельных подсистем одновременно снижаются энергозатраты на сушку. Согласно результатам приёмочных испытаний, применение двухстадийной сушки зерна риса позволило снизить затраты топлива на сушку на 15-30%, электроэнергии на 20% с одновременным увеличением общего выхода крупы на 0,4-0,5% и выхода целой крупы на 2,1-2,7%. Это объясняется снижением тепловых потерь на сушку за счёт рационального использования теплоты, требуемой для нагрева зерна в целях испарения влаги при охлаждении в системе активного вентилирования, и сокращением потерь теплоты с отработавшим сушильным агентом в высокотемпературных зерносушилках.

Выводы
Процесс сушки зерна можно рассматривать как технологическую систему, состоящую из ряда подсистем, определяемых технологией сушки, каждая из которых характеризуется показателем стабильности, а суммарное значение этих показателей определяет уровень целостности всей системы. Испытаниями в производственных условиях шахтных прямоточных и рециркуляционных зерносушилок установлено, что уровень целостности, например, технологической системы двухстадийной сушки выше, чем в зерносушилках, где сушка и охлаждение осуществляются в одном блоке. Это объясняется увеличением стабильности основной подсистемы сушки зерна. Приведённый анализ можно использовать для дополнительной оценки эффективности процесса сушки, в том числе его точности, устойчивости, управляемости и надёжности для новых конструкций сушилок.

Литература
1.  Панфилов, В.А. Теория технологического потока/ В.А. Панфилов. – М.: КолосС, 2007. – 319 с.
2.  Панфилов, В.А. Технологические линии пищевых производств / В.А. Панфилов, О.А. Ураков. – М.: Пищевая промышленность, 1996. – 472 с.
 
 

---