СПОСОБ СУШКИ ЗЕРНА И СЕМЯН Российский патент 2003 года по МПК A01F25/00 A01F25/08 A01F25/22 A23B9/08 A23B9/18 

Изобретение относится к способам сушки зерна и может быть использовано в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, системе хлебопродуктов и смежных с ними отраслях промышленности.

Известен способ сушки зерна и семян путем пропускания через их слой теплоносителя [1] . Однако этот способ сушки энергозатратен. В структуре затрат на сушку зерна более 50% приходится на топливо и электроэнергию, поэтому отыскание способов снижения энергоемкости процесса весьма актуально.

Повышение скорости сушки различных материалов с одновременным снижением затрат возможно при использовании озоновоздушной смеси. Известный способ сушки зерна с использованием озоновоздушной смеси с концентрацией озона в пределах 2...10 мг/м³ ускоряет процесс сушки и снижает затраты энергии [2]. Этот способ сушки является наиболее близким к сущности предлагаемого и принят в качестве прототипа.

Основными недостатками этого способа являются повышенные энергоемкость и длительность воздействия озона, что ведет к снижению качественных показателей высушиваемого объекта и избыточному поступлению озона в зону обслуживания.

Задачей изобретения является снижение энергоемкости процесса и длительности воздействия озоновоздушной смеси на высушиваемый объект.

Поставленная задача достигается тем, что при продувке зерна озоновоздушной смесью, согласно изобретению, воздушную смесь насыщают озоном в интервале влажности высушиваемого зерна 16...22%, а температура озоновоздушной смеси не превышает 35...40^oС.

Новым является ограничение интервалов влажности высушиваемого объекта и температуры теплоносителя, в которых осуществляют сушку с использованием озоновоздушной смеси.

Таким образом, заявленный способ соответствует критерию "новизна". Изобретение соответствует критерию "изобретательный уровень", так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, а именно высушивание зерна и снижение затрат на процесс.

Изобретение является и промышленно применяемым, так как может использоваться в сельском хозяйстве и других отраслях.

Изобретение поясняется графиками.

На фиг. 1 изображены экспериментальные кривые сушки зерна пшеницы по заявляемому способу (1) и по сравниваемым способам (2 и 3). На фиг.2 изображены кривые скорости сушки зерна пшеницы по заявляемому способу (1) и по сравниваемым способам (2 и 3). На фиг.3 изображены кривые отношений a_m1/а_m0~ W (1) и а_m2/а_m0 ~W(2), где a_m1 - коэффициент диффузии влаги в зерне, которое продуто озоновоздушной смесью в интервале влажности от 22 до 16%; a_m2 - то же самое, но в интервале влажности от 28 до 13%; a_m0 - то же самое, но воздушной смесью в интервале влажности от 28 до 13%. На фиг.4 изображены кривые зависимости относительной влажности отработавшей озоновоздушной смеси в опыте по заявленному (1), прототипу (2) и воздушной смеси (3). На фиг.5 изображены кривые скорости сушки зерна пшеницы N₁, N₂ и N₀ в зависимости от температуры озоновоздушной (воздушной) смеси t_вx. по заявленному способу (1) и по сравниваемым способам (2, 3).

Предлагаемый способ сушки осуществляют следующим образом.

Определяют исходную влажность зерна влагомером или высушиванием навески в сушильном шкафу и при влажности W>22% через слой зерна пропускают теплоноситель (воздух) без озона. В интервале влажности зерна W=16...22% теплоноситель насыщают озоном, при этом температура его не превышает 35...40^oС, по достижении влажности W<16% подачу озона в теплоноситель прекращают. Верхний предел температуры теплоносителя при W>22% и W<16% определяется только экономическими и технологическими требованиями процесса.

В настоящее время принята следующая гипотеза конвективной сушки растительных материалов с применением озона. Выделяют следующие этапы: первый - преобразование свойств теплоносителя за счет электросинтеза озона из кислорода воздуха с образованием гидроксильного радикала ОН и протона водорода Н. Одновременно часть озона разлагается на кислород О₂ и атомарный кислород О. Полученные активные функциональные группы обладают запасом свободной энергии и увеличивают влагопоглотительную способность теплоносителя. На втором этапе происходит озонолиз поверхностной влаги, реакции первичного взаимодействия и поглощение озона высушиваемым материалом. На этом этапе происходят структурные модификации материала: раскрытие устьичных клеток, сжатие мембран и первичные взаимодействия озона с материалом - опосредованная адаптивная реакция, обеззараживание и очистка пор и капилляров. На третьем этапе возможны биохимические преобразования: озон взаимодействует с материалом, наблюдается увеличение температуры и изменение структуры материала.

В зависимости от исходной влажности материала вышеперечисленные этапы (преобразование свойств теплоносителя, поверхностная обработка высушиваемого материала, биохимические процессы) имеют различную глубину и интенсивность, соответственно оказывают переменное влияние на перенос влаги внутри зерновки и ее испарение с поверхности зерновки.

Длительность воздействия озона и величина его концентрации не должны оказывать сколько-нибудь существенное значение на биохимические процессы в зерне, за исключением процессов переноса, т.к. возможно при этом снижение качественных показателей, т.е. длительность воздействия озона в процессе сушки должна быть по возможности минимальной.

Пример реализации способа сушки.

На лабораторной установке высушивали увлажненное до W=26...28% зерно пшеницы, ячменя и овса.

На фиг. 1 представлены кривые сушки пшеницы исходной влажностью W=26%, высушенные по трем вариантам - заявляемому способу 1, при непрерывной подаче озоновоздушной смеси 2 и при подаче неозонированного воздуха 3. Из представленных графиков видно, что длительность сушки по вариантам 1 и 2 практически совпадает, но существенно меньше, чем по варианту 3.

На фиг.2 представлены в координатах скорость сушки N ~ влажность зерна W - кривые сушки из фиг.1. Можно сделать вывод, что скорость сушки зерна пшеницы по заявленному способу (кр. 1) практически не отличается от скорости сушки по прототипу (кр.2), для которого характерно существенно большая длительность воздействия озона на высушиваемый материал. Отметим, что чем большая длительность воздействия, тем большие затраты живого труда на обслуживание и тем соответственно меньше коэффициент сменного времени и ресурс озонаторной установки.

Для обоснования интервала влажности избирательного воздействия озона на процесс сушки зерна рассчитаем коэффициент диффузии влаги в зерне a_m1, а_m2, а_m0 на основе полученных кривых сушки.

В общем случае для определения коэффициента диффузии влаги используют выражение А.В. Лыкова
a_m = J/ρ[(▿U)_m+σ(▿T)_n, (1)
где J = ΔM/FΔτ, (▿U)_m и (▿T)_n - соответственно поток влаги, градиенты влажности и температуры, ρ - плотность тела, ΔM - масса убыли влаги, F - поверхность массообмена, Δτ - длительность замера.

При изотермических условиях сушки выражение (1) можно упростить
a_m = J/ρ(▿U)_n.
Обработка опытных данных на фиг.1 позволит получить закономерность изменения a_m1/a_m0 и a_m2/a_m0 от W, где a_m1 - коэффициент диффузии зерна в основном опыте, а_m2 - в сравниваемом опыте при непрерывной продувке озоновоздушной смесью, а_m0 - то же самое при продувке воздухом без озона (фиг.3).

На кривых (см. фиг.3) можно выделить четыре участка с различным характером зависимости a_m1(a_m2)/а_m0 от W: для первого участка (0-1) - когда влажность зерна превышает 22% - влияние озона на массоперенос в зерне незначительно, очевидно, что из пор или поверхности влага испаряется без заметного влияния озона; на втором (1-2) отношение a_m1(a_m2)/a_m0 возрастает с уменьшением влажности; на третьем (2-3) - влияние a_m1(a_m2)/a_m0 на массоперенос достигает максимума, а при W<16% (четвертый участок) - снижается. Следует отметить, что для участка 0-1 характерен первый период сушки, когда влага в зерне перемещается в виде жидкости, на участке 1-2 - как в виде жидкой, так и паровой фаз, а на участках 2-3 и 3-4 - в виде паровой фазы.

Влияние озона на влагопоглощающие свойства смеси можно проиллюстрировать изменением относительной влажности отработавшего теплоносителя ϕ от влажности зерна W пшеницы в основном (1) и сравниваемых опытах (2 и 3), представленных на фиг. 4. Величины ϕ в основном опыте (1) и в сравниваемом с непрерывной подачей озона (2) практически совпадают во всем исследованном диапазоне изменения W, в то же время как при сушке зерна неозонированным воздухом (3) величина ϕ существенно меньше в интервале W=16...22%. Это можно объяснить следующим образом: в области повышенных значений W (W>22%) величина ϕ достаточно велика и наличие озона в воздухе, а также режим насыщения воздуха озоном существенно не влияет на ее величину. При малых значениях W зерна скорость сушки лимитирует не величина ϕ, а величина a_m, поэтому ϕ не зависит от содержания озона в воздухе.

Экспериментальные зависимости N₁, N₂ и N₀ от t_вx, где N₁ - скорость сушки в опыте по заявленному способу, N₂ - то же самое в опыте согласно прототипу. N₀ - то же самое в опыте без озона, %/ч; t_вx - температура озоновоздушной смеси на входе в слой, ^oС, представлены на фиг.5.

Из графиков следует, что скорости сушки зерна пшеницы с использованием озоновоздушной смеси в интервале исследованных t_вx практически совпадают и возрастают относительно N₀, начиная от величины 35...40^oС с уменьшением t_вx. Рост N₁ и N₂ относительно N₀ объясняется повышенной стойкостью озона при температурах ниже 35...40^oС.

Экспериментальные исследования доказывают, что за пределами интервала изменения влажности зерна пшеницы, ячменя и овса 16...22% влияние озона на скорость сушки N и на величину ϕ отработавшего воздуха несущественно и озонирование воздуха (теплоносителя) нецелесообразно, также нецелесообразно использование озоновоздушной смеси при температуре более 35...40^oС независимо от режима насыщения воздуха озоном.

Учитывая, что на практике сушка зерна при указанных температурах длится десятки часов, исключение озонирования воздуха за пределами указанного интервала позволяет повысить выработку за сезон за счет повышения коэффициента сменного времени, так и снизить энергоемкость процесса.

Эффективность предложенного способа оценивали на примере сушки зерна пшеницы в бункере БВ-40 при следующих условиях: исходная влажность - 26%, конечная - 14%, подача теплоносителя - 14 тыс.т•м³/ч, температура наружного воздуха 20^oС, степень его подогрева - 12^oС, концентрация озона ~10 мг/м³, установленная мощность вентилятора - 11 кВт, калорифера - 54 кВт, озонаторной установки ~ 2 кВт. Оценивали эффективность сушки по трем способам: сушка зерна подогретым воздухом без озона, при непрерывной подаче подогретой озоновоздушной смеси и по заявленному - подача озоновоздушной смеси в интервале влажности зерна 16...22% и без озона за пределами этого интервала.

Основные результаты приведены в таблице.

Кроме повышения производительности и снижения затрат энергии возрастает ресурс озонаторной установки, стоимость которой может составлять 10...20% от стоимости сушилки, причем в рассмотренном интервале сушки ресурс возрастает в 2 раза.

Источники информации
1. Технология приемки, хранения и переработки зерна. М.: ВО "Агропромиздат", 1990, с. 182, 210.

2. Авторское свидетельство СССР 1095889, A 01 F 25/08, 1981, прототип.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и касается способов сушки зерна и семян с использованием озоновоздушной смеси. В способе сушки озонированным воздухом продувку озоновоздушной смесью слоя зерна и семян осуществляют в интервале влажности зерна 16...22% при температуре теплоносителя не более 35...40^oС. В интервале влажности вне указанных пределов теплоноситель озоном не насыщают и температуру принимают в соответствии с экономическими и технологическими требованиями. Технический результат заключается в ускорении процесса сушки в среднем на 27% и снижении удельных затрат энергии на 23%, в то время как при непрерывной подаче озонированного теплоносителя снижение удельных затрат энергии не превышает 22%, а энергии - 19%. Кроме того, возрастает ресурс озонаторной установки в среднем на 40...50%. 5 ил., 1 табл.

Способ сушки зерна и семян, включающий продувку их слоя озоно-воздушной смесью, отличающийся тем, что воздушную смесь насыщают озоном в интервале влажности высушиваемого зерна 16. . . 22%, а температура озоно-воздушной смеси не превышает 35. . . 40^oС.