СПОСОБ СУШКИ СЕМЯН В ПЕРЕМЕШИВАЕМОМ СЛОЕ Российский патент 2012 года по МПК B02B5/00 

Изобретение относится к сушке семян, преимущественно селекционных и может быть использовано в сельском хозяйстве.

Известен способ сушки семян, при котором влажный материал загружают, вентилируют агентом сушки при нагреве до температуры ниже предельно допустимой, охлаждают и разгружают [1].

По этому способу высушивают рядовые семена, но селекционные семена так не сушат, так как влажность отдельных зерновок может существенно превышать среднюю партии, по которой определяют предельно допустимую температуру.

Известен способ сушки семян, заключающийся в том, что материал загружают высотой слоя 0,4 м, вентилируют агентом сушки с температурой, на 5°С ниже принятой по средней влажности, с удельным расходом 1800-1900 м³/м²·ч (V≈0,5 м/с), начинают перемешивать через 1-2 ч с длительностью интервалов между перемешиванием 1-2 ч, число оборотов мешалки 3-5 об/цикл полного перемешивания, высушенный материал охлаждают и разгружают [2].

Этот способ по технической сущности наиболее близок к заявленному и выбран за прототип.

Известный способ обеспечивает сушку семян до кондиционной влажности при сохранении посевных качеств, однако, энергозатратен из-за повышенной скорости агента сушки. Кроме того, возможно повреждение семян из-за перегрева или травматизма.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности сушки селекционных семян.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки семян в перемешиваемом слое, заключающемся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки с температурой, на 5°С ниже принятой по средней влажности, периодически перемешивают, высушивают, охлаждают и разгружают, согласно изобретению скорость агента сушки V рассчитывают в зависимости от свойств материала и агента сушки по формуле

а время первого и последующих перемешиваний семян определяют соотношением

где α_m - коэффициент диффузии влаги в зерновке, м²/с;

ρ, ρ_в - плотность сухого вещества зерновки и агента сушки, кг/м³;

U₀, U₁, U₂ - влагосодержание исходных семян, агента сушки на входе и выходе слоя соответственно, кг/кг;

с - теплоемкость семян, кДж/кг°С;

Θ₀; Θ₁; Θ_ср - начальная, конечная и средняя температура семян, °С;

Ko - число Коссовича;

α - коэффициент теплоотдачи от агента сушки семенам, Вт/м²°С;

f - коэффициент удельной поверхности семян, м²/кг;

ε_n - порозность тонкого слоя;

t₁ - температура агента сушки, °С,

при этом перемешивание осуществляют вручную с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания.

Сравнение заявленного способа с прототипом показывает, что новым в способе является то, что скорость агента сушки V рассчитывают в зависимости от режима сушки и свойств материала и агента сушки по формуле

а время первого и последующих перемешиваний семян определяют соотношением

где α_m - коэффициент диффузии влаги в зерновке, м²/с;

ρ, ρ_в- плотность сухого вещества зерновки и агента сушки, кг/м³;

U₀, U₁, U₂ - влагосодержание исходных семян, агента сушки на входе и выходе слоя соответственно, кг/кг;

с - теплоемкость семян, кДж/кг °С;

Θ₀; Θ₁; Θ_ср - начальная, конечная и средняя температура семян, °С;

Ko - число Коссовича;

α - коэффициент теплоотдачи от агента сушки семенам, Вт/м² °С;

f - коэффициент удельной поверхности семян, м²/кг;

ε_n - порозность тонкого слоя;

t₁ - температура агента сушки, °С, при этом перемешивание осуществляют с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания.

Таким образом заявляемый способ соответствует критерию «новизна».

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существующую потребность, а именно: повышение эффективности и безопасности сушки селекционных семян.

Изобретение является «промышленно применимым», так как может быть использовано в сельском хозяйстве.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема устройства (селекционная сушилка СЛ-0,3×2), на фиг.2 - фрагмент слоя с роторной мешалкой; выделены тонкий слой (штриховка) и удаляемая часть этого слоя (закрашен) за оборот мешалки.

В состав устройства входят калорифер 1, вентилятор 2, заслонки 3, воздушный канал 4, разводящий агент сушки на две камеры 5, решетка 6, перегородки 7, разгрузочные отверстия 8 и слой семян 9.

Устройство работает следующим образом.

Вручную или мобильными средствами семена загружают в камеры 5, которые разделены на секции перегородками 7.

Включают вентилятор 2, калорифер 1, устанавливают заданную температуру и скорость агента сушки и вентилируют семена. Высушенные семена охлаждают наружным воздухом после отключения калорифера 1 и разгружают. Разгрузку производят путем поворота камер 5 относительно горизонтальной оси таким образом, чтобы семена высыпались в мешки, закрепленные ниже окон 8 на секциях камер 5.

Способ осуществляют следующим образом.

Семена загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают, перемешивание осуществляют вручную. Поддерживают заданные скорость и температуру агента сушки. Контролируют температуру семян в тонком слое (пограничном с решеткой). Время первого и последующих перемешиваний рассчитывают по соотношению

.

Для обоснования энергосберегающей скорости агента сушки V рассмотрим математическую модель переноса влаги в зерновке. Форму зерновки примем в виде ограниченного цилиндра радиусом R, длиной 1=5R и толщиной оболочки δ≈0,1 R, в которой сосредоточена большая часть влаги, в том числе свободная. Под действием концентрационной диффузии влага перемещается из оболочки в поток агента сушки, а так же из центральных областей зерновки в оболочку. Последним переносом пренебрегаем, так как его скорость много ниже первого, также пренебрегаем переносом влаги через торцевые поверхности зерновки. Тогда поток влаги можно записать

где α_m- коэффициент диффузии влаги в зерне, м²/с;

ρ - плотность сухого вещества зерновки, кг/м;

U₀, U - влагосодержание семян и агента сушки соответственно, кг/кг.

Величина 0,1 R представляет собой толщину оболочки δ, а выражение (U₀-U)/0,1R - градиент переноса.

Этот поток влаги, испаряемый с поверхности зерновки, можно представить также в виде

где dG - расход агента сушки, кг/с;

F - поверхность зерновки, м².

Величину dG можно выразить через

где V - скорость воздуха, м/с;

F - поверхность зерновки, м²;

ρ_в - плотность воздуха.

Приравняв правые части выражений (1) и (2) и после интегрирования от 0 до V и от U₁ до U₂ получим

На практике для экономической и безопасной сушки селекционных семян фактическая величина V_ф<V.

В выражение (4) прямо не входит температура нагрева семян, но она косвенно задана через α_m, ρ_в и U₂.

Пример 1. Рассчитаем скорость агента сушки V для следующего случая: температура семян - 35°С, влажность семян 25% (U₀=0,33 кг/кг), влагосодержания агента сушки U₁=0,008 кг/кг, U₂=0,0115 кг/кг, тогда α_m=60·10^-10 м²/с (оболочка) [3]; ρ=1200 кг/м³, ρ_в=1,1 кг/м³, R=2·10^-3 м. Получим V=0,27 м/с ≈0,3 м/с.

Скорость V=0,3 м/с достаточна для эффективной и безопасной сушки селекционных семян, а скорость V=0,4 м/с в прототипе несколько завышена и должна быть снижена, что обеспечит не только безопасную, но и экономичную сушку.

Перемешивание в первую очередь необходимо для предотвращения перегрева семян в тонком слое, пограничным с решеткой. На семена в этом слое воздействуют конвективная и кондуктивная составляющие теплообмена. Исходя из принятой математической модели периоды между первым и последующими перемешиваниями должны различаться между собой, так как с влажностью семян одновременно снижается отношение расхода тепла, пошедшего на испарение влаги по отношению к теплу, пошедшему на нагрев, определяемое числом Коссовича (Kо) (см. таблицу).

  Величина Ко при температуре агента сушки 35°С и его скорости V=0,5 м/с [3]. Начальная влажность семян, % Продолжительность сушки, мин 45 135 30 9,5 12,5 25 5 8 20 4 6 18 3,8 5,0

Для обоснования длительности работы сушилки до первого и последующих перемешиваний составим тепловой баланс. Поток теплоты от агента сушки к семенам в тонком слое можно записать.

α_э≈1,4α;

; Nu=0,106 Re (20<Re<200),

где α_э - эффективный коэффициент теплоотдачи, учитывающий конвективную и кондуктивную составляющие, Вт/м² °С;

Nu - критерий Рейнольдса;

λ - теплопроводность семян, кДж/м·ч;

d_э - эквивалентный диаметр зерновки, м;

t₁ - температура агента сушки, °С;

Θ₀ - начальная температура семян, °С.

Количество теплоты, поглощенное семенами в тонком слое, составит

где G - масса семян в тонком слое, кг;

с - теплоемкость семян, кДж/кг °С;

;

- предельно допустимая температура нагрева семян, °С;

с - теплоемкость зерна, ≈2,05 кДж/кг °С.

Приравняв правые части (5) и (6) запишем

где f - коэффициент удельной поверхности (м²/кг) является эффективным и равен

f=f₀(1-ε),

где f₀ - геометрический коэффициент удельной поверхности (для пшеницы f₀≈1,0), ε - порозность тонкого слоя (ε≈0,55).

Использование эффективного коэффициента обусловлено структурой тонкого слоя, при которой часть агента сушки не контактирует с поверхностью материала.

После упрощений получим

Пример 2. Определим, через какое время необходимо перемешивать слой семян пшеницы для условий: V=0,30 м/с; t₁=40°C; W₀=23% (исходная влажность). По таблице примем Ko≈8, найдем α≈15 Вт/м² °С. Получим решением (8) τ≈0,7 ч.

Сравним эффективность и безопасность механического и ручного перемешивания селекционных семян. В первом случае перемешивание осуществляют роторной мешалкой, во втором - деревянной лопатой или совком. Учтем, что семена влажностью более 22% подвержены повышенной опасности травмирования, поэтому механическое воздействие на них должно быть сведено к минимуму.

Роторная мешалка с пластинами подхватывает подсохшие семена нижнего слоя и перемещает их на свободную поверхность, на места перемещенных поступают влажные семена. Исследованиями [2] установлено, что при количестве оборотов мешалки n=3-5 об/цикл достигнуты минимальные значения неравномерности сушки δ. Приводятся и другие параметры устройства и процесса: начальной влажности семян 20-30%, количество лопаток - 6, ширина лопатки 0,25 м, угол наклона -90°, неравномерность сушки по средним пробам не превышают ±0,5…1,0% и не снижается с увеличением n.

Очевидно, что за 3…5 об/цикл подсохшие семена нижнего слоя не только будут перемещены вверх, но и смешаны с более влажными, что и позволит достигнуть минимального значения δ. Аналогичный эффект при ручном перемешивании с помощью деревянной лопаты (движка) или совка может быть достигнут за 1-2 цикла перемешивания (1 - при площади решетки до 2…4 м², 2 - при большей площади, так как могут оставаться непромешанные места на решетке).

Действительно, если принять в первом приближении, что основной задачей перемешивания является перемещение вверх пограничного слоя семян, имеющего наименьшую влажность, толщина которого ориентировочно 2-3 зерновки, то за один проход лопасти мешалки удаляется лишь незначительная часть этого слоя (ориентировочно 0,15-0,25) массы от всего в области мешалки. Остальные семена пограничного слоя будут смещаться на место удаленных, и только через 3-5 циклов величина δ снижаться не будет, т.е. семена будут перемешены.

В то время как при использовании лопаты или совка достаточно 1-2 циклов перемешивания, а снижение механического воздействия на семена очевидно.

Источники информации

1. С.Д.Птицын. Зерносушилки. М.: Машгиз, 1962, с.49-53.

2. P.M.Галихошвили. Обоснование технологических и конструктивных параметров и разработка универсальной установки для сушки селекционных семян сельскохозяйственных культур. Автор. диссерт. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. M., 1975, с.20-21.

3. В.Ф.Сорочинский. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна на основе интенсификации тепломассообменных процессов. Диссерт. на соискание учен. степ. докт. техн. наук. М., 2003, с.161-162.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к сушке семян преимущественно селекционных. Согласно способу производят загрузку семян, вентилируют агентом сушки с температурой, на 5°С ниже принятой по средней влажности, периодически перемешивают, высушивают, охлаждают и разгружают. Скорость агента сушки рассчитывают в зависимости от свойств материала и агента сушки. Определяют время первого и последующих перемешиваний. Перемешивание осуществляют вручную с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания. Использование изобретения позволит повысить эффективность и безопасность сушки селекционных семян. 2 ил., 1 табл.

Способ сушки семян в перемешиваемом слое, заключающийся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки с температурой на 5°С ниже принятой по средней влажности, периодически перемешивают, высушивают, охлаждают и разгружают, отличающийся тем, что скорость агента сушки V рассчитывают в зависимости от свойств материала и агента сушки по формуле

а время первого и последующих перемешиваний семян определяют соотношением

где α_m - коэффициент диффузии влаги в зерновке, м²/с;
ρ, ρ_в - плотность сухого вещества зерновки и агента сушки, кг/м³;
U₀, U₁, U₂ - влагосодержание исходных семян, агента сушки на входе и выходе слоя соответственно, кг/кг;
с - теплоемкость семян, кДж/кг·°С;
Θ₀, Θ₁; Θ_ср - начальная, конечная и средняя температура семян, °С;
Kо - число Коссовича;
α - коэффициент теплоотдачи от агента сушки семенам, Вт/м²·°С;
f - коэффициент удельной поверхности семян, м²/кг;
ε_n - порозность тонкого слоя;
t₁ - температура агента сушки, °С,
при этом перемешивание осуществляют вручную с частотой 1-2 раза за цикл перемешивания.