УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ЗЕРНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК B02B1/00 F26B3/34 

Изобретение относится к технике гидротермической обработки зерна перед сортовым помолом, в частности к устройствам для нагрева охлажденного зерна перед отволаживанием, и может быть использовано на мукомольных заводах малой мощности с производительностью порядка 1-6 т/ч, на которых применяется метод "холодного" кондиционирования зерна.

Существенной особенностью технологического процесса на мукомольных заводах малой мощности (мельницах) является то, что зерно, служащее для них исходным сырьем, как правило хранится в неотапливаемом помещении. Поэтому в зимнее время зерно, поступающее в подготовительное (зерноочистительное) отделение мельницы, имеет минусовую температуру, а осенью и весной - достаточно низкую плюсовую температуру. Другой особенностью технологического процесса на такой мельнице является усеченность технологического цикла (от поступления партии зерна до выхода муки) по сравнению с большими мельзаводами, в том числе и меньшее время, затрачиваемое на подготовку зерна к помолу. Это обстоятельство не позволяет зерну в зимне-весенний период успевать нагреться до плюсовых температур за счет естественного теплообмена с воздухом помещения при продвижении зерна по агрегатам технологической цепочки.

Задача быстрого и эффективного нагрева зерна до требуемой температуры в самом начале этапа кондиционирования (гидротермической обработки) актуальна для всех мукомольных заводов, но особенно она актуальна по указанным выше причинам для упомянутых мукомольных заводов малой мощности, поскольку у охлажденного зерна (с температурой ниже 0^oC) внутренний влагоперенос затруднен, резко снижена интенсивность всех остальных процессов и возможно даже смерзание всей массы зерна в закромах при отволаживании.

Широко известно устройство для нагрева охлажденного зерна перед сортовым помолом, основанное на кондуктивной и конвективной передаче тепла от водяных или паровых радиаторов охлажденному зерну (см. , например, Г.А. Егоров. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна. М.: Колос, 1973 г. , стр. 224 - 226; Г.А. Егоров, Е.М. Мельников, Б.М. Максимчук. Технология муки, крупы и комбикормов. М.: Колос, 1984 г., стр. 183 - 185, рис. XXV - 6; Г.А. Егоров. Гидротермическая обработка зерна. М.: Колос, 1968 г., стр. 21 - 22, 28 - 30). Данное устройство выполнено в виде нагревательной секции кондиционера, снабженной радиаторными батареями, установленными по высоте нагревательной секции, например, в шахматном порядке. Рабочим агентом (теплоносителем) в радиаторных батареях может служить вода, пар, либо какой-то газ. Перемещаясь под действием собственного веса сверху вниз между трубами радиаторов, зерно нагревается, но поскольку теплопроводность единичного зерна во много раз выше, чем зерновой массы, то соприкасающийся с нагретыми стенками радиаторов ряд (слой) зерен нагревается намного быстрее, чем остальные зерна и есть опасность перегрева этого слоя. По этой причине максимальная температура теплоносителя в радиаторах устанавливается ниже 80^oC, что не позволяет с помощью данного устройства быстро и эффективно нагреть всю массу зерна. Кроме того, для работы данного устройства требуется наличие либо котельной для получения горячей воды или пара, либо печи для нагрева газа, а также установка теплопроводов для подачи теплоносителя и дополнительный обслуживающий персонал, что делает данное устройство экономически невыгодным для мельзавода малой мощности.

Известно также устройство для нагрева зерна перед сортовым помолом, содержащее вертикально установленный бункер нагрева, снабженный загрузочным и разгрузочным лотками, в котором нагрев зерна осуществляется горячим газом, проходящим через слой зерна, расположенный на дне бункера. При этом дно бункера выполнено в виде неподвижной плиты, имеющей форму кольца, над которой установлен с возможностью вращения спиральный ротор, служащий одновременно распределителем горячего газа, поступающего в бункер, и механизмом для перемещения зерна по спиральной траектории от центра к периферии. Горячий газ поступает в бункер нагрева снизу через патрубок, расположенный по оси дна бункера (а.с. СССР N 1210886, М. кл.⁴ B 02 B 1/02, публ. 1986 г.).

Недостатком данного устройства является недостаточно быстрый и эффективный нагрев зерна (особенно охлажденного) до требуемой для гидротермической обработки зерна температуры по причине использования в данном устройстве так же, как и в предыдущем устройстве аналоге, конвективного и кондуктивного приемов нагрева зерновой массы, имеющей в 5-6 раз меньшую теплопроводность по сравнению с теплопроводностью единичного зерна (см., например, Г.А. Егоров. Гидротермическая обработка зерна. М. : Колос, 1968 г., стр. 22). Кроме того, к недостаткам данного устройства следует отнести необходимость сооружения источников теплоносителя (котельных, печей) и трубопроводов для транспортировки теплоносителя. При транспортировке теплоносителя неизбежно возникают потери тепла, что снижает тепловой КПД устройства.

Более высоким тепловым КПД обладает устройство для высокочастотного нагрева зерна, содержащее вертикально установленный корпус с тремя поярусно расположенными в нем секциями предварительного нагрева, сушки и охлаждения, выполненными в виде горизонтальных решеток, установленных с чередующимся наклоном, и снабженное рабочим конденсатором ВЧ-генератора. При этом обе обкладки рабочего конденсатора выполнены в виде горизонтальных решеток секции сушки, нижняя из которых является заземленным электродом. Для непрерывного перемещения зерна по решеткам секций и дополнительной его сушки использована непрерывная продувка воздуха снизу вверх через все секции устройства (SU, 1182246, М. кл. F 26 B 3/34, публ. 10.05.89).

Недостатком данного известного устройства для ВЧ-нагрева зерна является его сложность, большие габариты и длительный цикл прохождения зерна от загрузки до разгрузки, что неприемлемо для современных компактных мельзаводов малой мощности, имеющих высокую скорость переработки зерна.

Более близким по конструкции и также обладающим высоким тепловым КПД является устройство для ВЧ-нагрева зерна, содержащее бункер нагрева (материалопровод), установленный с возможностью перемещения в нем зерна и снабженный загрузочным и разгрузочным устройствами, причем одна из боковых стенок бункера нагрева служит заземленным электродом рабочего конденсатора ВЧ-генератора. При этом высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора выполнен составным из двух пластин и установлен снаружи бункера нагрева в сушильной камере, корпус которой служит экраном для высокочастотного поля. Высокопотенциальный электрод отделен от бункера нагрева посредством специального изолятора и воздушного зазора, что позволяет осуществлять ВЧ-нагрев материала с очень высокой влажностью (SU, 1601480, M. кл. F 26 B 3/34, опубл. 23.10.90). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком устройства-прототипа является малоэффективный ВЧ-нагрев при перемещении в бункере нагрева сухого зерна по причине удаленности высокопотенциального электрода от нагреваемого материала и наличия большого дополнительного сопротивления (в виде изолятора и воздушного зазора) по ВЧ-сигналу по сравнению с сопротивлением самого нагреваемого материала (зерна). В силу этого обстоятельства затруднена также настройка данного устройства на автоматический режим работы по нагреву зерна.

Таким образом, задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка устройства для ВЧ-нагрева зерна перед сортовым помолом, позволяющего быстро и эффективно нагревать охлажденное зерно до требуемой для "холодного" кондиционирования температуры и обеспечивающего удобную настройку автоматического режима ВЧ-нагрева.

Технический результат, обеспечиваемый разработанным устройством, достигается тем, что разработанное устройство для ВЧ-нагрева зерна так же, как и устройство-прототип, содержит бункер нагрева, установленный с возможностью перемещения в нем зерна, причем по крайней мере одна стенка бункера служит в качестве заземленного электрода рабочего конденсатора ВЧ-генератора.

Новым в первом варианте разработанного устройства является то, что бункер нагрева выполнен из металла в виде полого прямоугольного параллелепипеда, а высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора, выполненный в виде металлической пластины, установлен вертикально в центре бункера параллельно двум его противоположным стенкам, служащим заземленным электродом рабочего конденсатора.

Новым во втором варианте разработанного устройства является то, что бункер нагрева выполнен из металла в виде полого цилиндра, а высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора, выполненный в виде металлического стержня, расположен по оси симметрии бункера, при этом цилиндрическая поверхность бункера нагрева служит заземленным электродом рабочего конденсатора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена технологическая цепочка подготовительного (зерноочистительного) отделения мельзавода малой мощности, одним из звеньев которой является разработанное устройство.

На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема разработанного устройства.

На фиг. 3 представлен первый вариант разработанного устройства для ВЧ-нагрева зерна перед сортовым помолом (бункер нагрева показан при снятой передней стенке).

На фиг. 4 представлен второй вариант разработанного устройства для ВЧ-нагрева зерна перед сортовым помолом (бункер нагрева показан при отсутствующей передней части стенки).

На технологической схеме подготовительного отделения мельзавода малой мощности (см. фиг. 1) представлены: бункер 1 для приема зерна из зернохранилища, агрегаты 2 для сухой очистки зерновой массы от примесей, бункер нагрева 3, снабженный электродами рабочего конденсатора 4, электрически соединенными с ВЧ-генератором 5, увлажнительный аппарат 6 и закрома 7 для отволаживания. Аппараты для окончательной очистки поверхности зерна после отволаживания не показаны.

Принципиальная электрическая схема разработанного устройства для нагрева зерна, представленная на фиг. 2, содержит ВЧ-генератор 5, электрически соединенный через разделительный конденсатор с электродами рабочего конденсатора 4. Одна из обкладок рабочего конденсатора 4 является высокопотенциальным электродом 8, соединенным с высоковольтным выходом ВЧ-генератора 5. Вторая (заземленная) обкладка рабочего конденсатора 4 служит заземленным электродом 9. Индуктивность 10 совместно с рабочим конденсатором 4 являются нагрузкой ВЧ-генератора 5.

Первый вариант устройства для высокочастотного нагрева зерна перед сортовым помолом представлен на фиг. 3. Он содержит бункер нагрева 3 из металла, выполненный в виде полого прямоугольного параллелепипеда. Бункер 3 установлен вертикально между агрегатом 2 для сухой очистки зерна и увлажнительным аппаратом 6 (см. фиг. 1) в технологической цепочке подготовительного отделения мельницы. Бункер нагрева 3 снабжен (см. фиг. 3) электродами 8 и 9 рабочего конденсатора 4. Высокопотенциальный электрод 8 рабочего конденсатора 4, выполненный в виде металлической пластины, установлен с помощью диэлектрических опор 11 вертикально по центру бункера нагрева 3 параллельно двум его противоположным стенкам, которые в данном варианте устройства служат заземленным электродом 9 конденсатора 4. Таким образом, рабочий конденсатор 4, с помощью которого в бункере нагрева 3 осуществляется нагрев зерна, в данном варианте устройства, представленном на фиг. 3, выполнен плоскопараллельным из двух секций, внутри которых под действием силы тяжести перемещается зерно. Соединение высокопотенциального электрода 8 и заземленного электрода 9 с ВЧ-генератором 5 осуществляется посредством фидера 12. Бункер 3 снабжен также загрузочным и разгрузочным устройствами (не показаны). Разгрузочное устройство снабжено затвором, который позволяет регулировать скорость перемещения зерна в бункере 3.

Второй вариант устройства для высокочастотного нагрева зерна перед сортовым помолом представлен на фиг. 4. Этот вариант устройства содержит бункер нагрева 3 из металла, выполненный в виде полого цилиндра. Бункер 3 так же, как и в первом варианте, установлен вертикально между агрегатом 2 для сухой очистки зерна и увлажнительным аппаратом 6 (см. фиг. 1) в технологической цепочке подготовительного отделения мельницы. Бункер нагрева 3 снабжен (см. фиг. 4) электродами 8 и 9 рабочего конденсатора 4. Высокопотенциальный электрод 8, выполненный в данном варианте в виде металлического стержня, установлен с помощью диэлектрических опор 11 вертикально по его оси симметрии. При этом вся боковая цилиндрическая поверхность бункера 3 служит заземленным электродом 9. Охлажденное зерно, которое необходимо нагреть, поступает в бункер 3 через загрузочное устройство (не показано) в верхней части полого цилиндра и под действием силы тяжести перемещается между электродами 8 и 9 рабочего конденсатора 4. Бункер нагрева 3 снабжен, как и в первом варианте, разгрузочным устройством (не показано), которое позволяет регулировать скорость перемещения зерна в бункере.

В качестве генератора 5 может быть использован любой ВЧ- генератор, выпускаемый отечественной промышленностью. Выбор типа ВЧ-генератора по мощности определяется производительностью конкретной мельницы, то есть той массой зерна, которую надо нагреть за единицу времени, и самой низкой возможной температурой зерна, которое будет перерабатываться на данной мельнице.

В примере конкретной реализации в качестве генератора 5 используется выпускаемый Таганрогским заводом "Кристалл" генератор высокочастотный ВЧГ6 - 10/27, который обеспечивает мощность высокочастотного поля в нагрузке (в рабочем конденсаторе 4) 10 кВт при рабочей частоте 27 МГц.

Разработанное устройство для высокочастотного нагрева зерна перед кондиционированием использовано в технологическом процессе на мельнице типа МВС, выпускаемой АО "Мельинвест" г. Нижнего Новгорода.

Оба варианта разработанного устройства работают следующим образом.

Зерно пшеницы из уличных хранилищ с температурой, определяемой условиями хранения, и с начальной влажностью от 12 до 14% в зависимости от партии зерна попадает в бункер 1 приема зерна, из которого затем дозированный поток зерна, определяемый производительностью мельницы, направляется на агрегаты 2 для сухой очистки зерновой массы от всевозможных примесей и грязи. После этого поток очищенного зерна поступает в бункер нагрева 3, в котором зерно перемещается с определенной скоростью между электродами 8 и 9 рабочего конденсатора 4, где создано с помощью ВЧ-генератора 5 однородное высокочастотное поле. За счет действия этого высокочастотного поля на зерно, являющееся диэлектрическим материалом, происходит диэлектрический нагрев последнего. Регулировка температуры зерна на выходе из бункера 3 легко может быть осуществлена автоматически за счет уменьшения или увеличения подаваемой мощности от ВЧ-генератора 5. Поскольку в разработанном устройстве в обоих его вариантах высокопотенциальный электрод 8 находится в отличие от прототипа в непосредственном контакте с нагреваемым материалом (зерном), то вся поступающая от ВЧ-генератора 5 энергия высокочастотного поля расходуется на нагрев именно зерна, а не дополнительного сопротивления, состоящего из изолятора и воздушного зазора, как в прототипе, что и обеспечивает в разработанном устройстве более удобную настройку рабочего режима ВЧ-генератора 5, в том числе и автоматическое поддержание температуры нагрева.

Кроме того, в обоих вариантах разработанного устройства исключается возможный в условиях мельничного производства высокочастотный пробой воздушного зазора, который вполне вероятен при условии использования устройства прототипа в мукомольном процессе.

Основным технологическим параметром при нагреве зерна разработанным способом является его температура при выходе из бункера 3, например перед разгрузочным затвором, которая в зимне-весенний период должна быть не ниже 10-15^oC, и в любое время года не должна превышать 55^oC.

Нижняя граница температуры в бункере 3 (10-15^oC) выбрана из тех соображений, что она обеспечивает достаточную для эффективного проведения кондиционирования температуру (15 - 20^oC) в бункере 7 для отволаживания (за счет небольшого повышения температуры зерна при увлажнении нагретой водой и самого процесса кондиционирования). А именно, начиная с температуры 15 - 20^oC зерно пшеницы имеет наиболее высокий коэффициент диффузии влаги в зерне, что является необходимым условием для эффективного проведения кондиционирования, поскольку чем выше интенсивность переноса влаги в зерне, тем значительнее изменения в лучшую сторону мукомольных свойств зерна и хлебопекарских качеств муки, что очень существенно для сортового помола из-за повышения выхода муки высшего сорта.

Верхняя граница температуры (55^oC) определяется температурой денатурации клейковины.

Таким образом, разработанная конструкция устройства для высокочастотного нагрева зерна перед сортовым помолом (на начальном этапе гидротермичсской обработки зерна) позволяет более быстро и эффективно нагревать зерно до требуемой температуры и обеспечивает более удобную настройку рабочего режима ВЧ-генератора, то есть позволяет решить поставленную задачу.

В таблице приведены сравнительные данные выхода и качества муки, полученной из зерна пшеницы на мельнице МВС общества с ограниченной ответственностью "Нива", с использованием разработанного устройства и без него.

Устройство содержит бункер нагрева, установленный с возможностью перемещения в нем зерна. По крайней мере одна стенка бункера служит в качестве заземленного электрода рабочего конденсатора высококачественного генератора. Бункер нагрева выполнен из металла в виде полого прямоугольного параллелепипеда или в виде полого цилиндра. Высокопонтенциальный электрод рабочего конденсатора выполнен в виде металлической пластины или металлического стержня. Электрод, выполненный в виде металлической пластины, установлен вертикально в центре бункера параллельно двум его противоположным стенкам, служащим заземленным электродом рабочего конденсатора. Электрод, выполненный в виде металлического стержня, расположен по оси симметрии бункера, при этом цилиндрическая поверхность бункера служит заземленным электродом рабочего конденсатора. Обеспечивается быстрый и эффективный нагрев зерна до требуемой температуры и удобная настройка рабочего режима высокочастотного генератора. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Устройство для высокочастотного нагрева зерна, содержащее бункер нагрева, установленный с возможностью перемещения в нем зерна, причем, по крайней мере, одна стенка бункера служит в качестве заземленного электрода рабочего конденсатора высокочастотного генератора, отличающееся тем, что бункер нагрева выполнен из металла в виде полого прямоугольного параллелепипеда, а высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора, выполненный в виде металлической пластины, установлен вертикально в центре бункера параллельно двум его противоположным стенкам, служащим заземленным электродом рабочего конденсатора. 2. Устройство для высокочастотного нагрева зерна, содержащее бункер нагрева, установленный с возможностью перемещения в нем зерна, причем, по крайней мере, одна стенка бункера служит в качестве заземленного электрода рабочего конденсатора высокочастотного генератора, отличающееся тем, что бункер нагрева выполнен из металла в виде полого цилиндра, а высокопотенциальный электрод рабочего конденсатора, выполненный в виде металлического стержня, расположен по оси симметрии бункера, при этом цилиндрическая поверхность бункера служит заземленным электродом рабочего конденсатора.