СПОСОБ БЕЗОПАСНОЙ СУШКИ СЕМЯН Российский патент 2013 года по МПК F26B3/06 

Изобретение относится к сушке семян, преимущественно повышенной влажности, а также элитных ценных сортов и может быть применено в сельском хозяйстве.

Известен способ сушки семян, при котором влажный материал загружают, вентилируют агентом сушки со съемом 3-4% влажности за пропуск, количество пропусков устанавливают в зависимости от начальной и конечной влажности. Между пропусками применяют отлежку (В.А. Шаршунов, Л.В. Рукшан, Сушка и хранение зерна, Минск, Мисата, 2010, с 106-107).

Этот способ способствует перераспределению влаги в зерновке и снижению градиента влагосодержания, тем самым обеспечивает безопасную сушку при температуре нагрева ниже допустимой.

Однако он достаточно длителен и требует развитой инфраструктуры, включая бункера отлежки, транспортные средства и т.д., поэтому его применяют достаточно редко.

Известен способ, заключающийся в том, что семена предварительно подогревают, загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают (А.С. Гинзбург, В.П. Дубровский, Казаков, Г.С. Окунь, В.А. Резчиков. Влага в зерне, М. «Колос», 1969, с 169-1712).

Предварительный подогрев семян способствует снижению градиента влагосодержания и тем самым повышает безопасность процесса сушки.

Этот способ сушки по своей технической сущности наиболее близок к заявленному и принят за прототип.

Недостатком известного способа является то, что он экономически не выгоден для крупнотоннажного производства семян, так как организация предварительного подогрева требует сложных технологических и технических мероприятий, а также при подогреве необходимо решить вопрос с возможной неравномерностью нагрева и сушки отдельных зерновок.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности сушки семян путем ограничения коэффициента теплоотдачи семян, т.е. снижения градиента влагосодержания в зерновках.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки семян, заключающийся в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают, согласно изобретению, скорость агента сушки ограничивают величиной коэффициента теплоотдачи α.

где λ - коэффициент теплопроводности зерновки, Вт/м °C; ΔU - снижение влагосодержания зерновки, кг вл/кг мат; σ - теплота парообразования, кДж/кг, σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м; c - теплоемкость зерновки, кДж/кг °C; t_a.c. - температура агента сушки, °C; θ - температура семян, °C; Ко - число Коссовича.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема сушилки; на фиг.2 - схема зерновки с зародышем.

Устройство представляет собой серийно выпускаемую ГНУ ВИМ Россельхозакадемии лотковую селекционную сушилку ЛСБ-0,3×2 и содержит калорифер 1, вентилятор 2, задвижки 3, диффузор 4, решетку 5, секции 6 сушильных камер 7, пульт управления 8, термодатчики 9, регистратор температуры 10, анемометр с раструбом 11.

Устройство работают следующим образом.

Влажные семена загружают в секции 6 одной или двух сушильных камер 7, высотой слоя от 0,1 до 0,5 м, выравнивают и последовательно включают вентилятор 2, калорифер 1. Задвижками 3 устанавливают скорость агента сушки, соответствующую величине α.

Включением того или иного количества секций калорифера 1 устанавливают температуру агента сушки не более чем на 5°C выше допустимой температуры нагрева θ_п.q при условии регулировки перемешивания материала или на 2…3°C - без перемешивания.

Температуру θ_п.q определяют, например, по формуле С.Д. Птицына (С.Д. Птицын Зерносушилки, М, Машгиз 1962, с 52). Начальную влажность семян со, определяют влагомером или высушиванием навесок в сушильном шкафу. Длительность сушки определяют расчетом по известной температуре агента сушки, исходной (начальной) и конечной влажности (ω₁, ω₂), массе семян и скорости агента сушки (предварительно задаются).

Вычислить объем зерновки V, приняв ее форму шарообразной, при известном диаметре и объем сферы (оболочки) V₁ при известной глубине нахождения зародыша в зерновке не представляет труда. Величину а определяют по справочникам (например для пшеницы зародыш находится за наружной оболочками на расстоянии σ=0,3-0,5 мм от поверхности (С.Д. Птицын, Зерносушилки, М, Машгиз, 1962, с 35).

Способ осуществляют следующим образом.

По известной начальной и конечной влажности зерна, объемах зерновки и ее сферы с зародышем, температуре агента сушки рассчитывают параметры зерновки и процесса и расчетом определяют а и скорость агента сушки. Рассчитанную скорость устанавливают, контролируя ее анемометром с раструбом 11.

Сушка зерна состоит из трех основных этапов: испарение влаги, внешней перенос пара, внутренний перенос влаги. Причем при сушке зерно быстро нагревается до допустимой температуры θ_пq и не успевает высохнуть до необходимой влажности. Таким образом, процесс сушки лимитируется внутренним переносом влаги. Несоответствие интенсивностей процесса переноса влаги вызывает существенный градиент влагосодержания по радиусу зерновки и отрицательно сказывается на качественных показателей семян (в первую очередь снижается энергия прорастания).

Рациональным решением проблемы будет применение таких способов сушки, при которых зона испарения располагалась бы возможно ближе к наружной поверхности зерновки, но за зародышем, например регулируемое снижение интенсивности внешнего массопереноса, которое зависит от величины α.

В свою очередь величина а зависит от скорости агента сушки в известной зависимости, например

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

где Nu, Re - число Рейнольдса и Нуссельта

; ,

d_'э - эквивалентный диаметр зерновки, м, υ - кинематическая вязкость агента сушки, м²/с.(В.В.Портнов, В.В.Майоров, Промышленные конвективные установки, Сборник задач, Воронеж, Воронежский Гос. Тех. Уни-вер., 2003, с 37).

Для расчета безопасных влагосъемов рассмотрим тепломассоперенос в зерновке.

Физическая модель. В общем случае сушка зерна происходит в два периода. Как только температура поверхности зерновки с радиусом R достигнет температуры адиабатического насыщения воздуха (температуры мокрого термометра), начинается первый период сушки, в котором агент сушки у поверхности зерновки насыщен водяными парами, а скорость процесса лимитируется скоростью их отвода от поверхности испарения в ядро потока сушильного агента. В этом периоде влага преимущественно из периферийных оболочек зерновки перемещается к ее поверхности, испаряется, а пары отводятся агентом сушки. Движение границы испарения в этом периоде не происходит, но происходит во втором периоде.

Математическая модель. Уравнение, согласно которому можно определить скорость сушки запишем в виде

где V - объем зерновки, м³; ρ - плотность вещества зерновки, кг/м³;

r - теплота парообразования, кДж/кг влаги; U_(τ) - влагосодержание кг влаги/кг сухого материала; α - коэффициент теплоотдачи Вт/м² °C; F - поверхность зерновки, м²; t_a.c. - температура агента сушки, °C; θ - температура материала °C, в первом периоде θ=θ_м.т (мокрого термометра), во - втором θ=θ_п.q/2 (где θ_п.q - допустимая температура нагрева, °C); η - часть теплоты, поступающая на испарение влаги.

Величину η можно определить из числа Коссовича (Ко), например в (В.Р. Сорочинский, Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждение зерна на основе интенсификации теплообменных процессов, диссерт. На соиск. учен. степ. докт. техн. наук, М. 2002, с 162.

При θ и t_a.c.=const имеем искомое решение (1) имеет вид

или

где ΔU влагосъем с поверхности зерновки, кг/кг.

По мере снижения влагосодержания оболочек к ней подводится влага из ядра зерновки, а фронт испарения углубляется.

Уравнение перемещения фронта испарения в зерновке шароообразной формы на величину σ может быть записана в виде

где λ - коэффициент теплопроводности зерновки Вт/м °C;

σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м;

V₁, - объем сферы зерновки с толщиной σ, °C;

Δθ₁ - перепад температуры на границах сферы с толщиной σ, °C.

После решения (5) аналогично выражению (1) получим

Так как условие безопасной сушки есть равенство правых частей (4) и (6), то их приравняем и получим после упрощений

Для решения (6) необходимо знать выражение перепада температуры по радиусу зерновки, который можно определить из числа Коссовича.

, где ΔU¹ - изменение влагосодержания сферы зерновки с объемом V₁ в процессе сушки, кг/кг, с - теплоемкость материала зерновки, кДж/кг °C.

Переходя к влагосодержанию в зерновке ΔU с объемом V окончательно получим

Значения Ko можно определить для различных режимов сушки из экспериментальных данных. (В.Р. Сорочинский. Повышение эффективности конвективной сушки и охлаждение зерна на основе интенсификации теплообменных процессов, диссерт. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук, М., 2003, с 162).

Пример. Определим коэффициент теплоотдачи и скорость агента сушки при высушивании семян пшеницы с исходной влажностью 21% (U₁≈0,27) до конечной влажности 14% (U₂≈0,16 кг/кг); при t_a.c=45°C в плотном неподвижном слое высотой 0,2 м с перемешиванием. Принятая величина t_a.с позволяет высушить семена без превышения допустимой температуры нагрева θ_n.q=41,0°C. Параметры зерновки, взятые из литературы следующие λ=0,023 Вт/м °C; с=1,68 кДж/кг°C; r=2640 кДж/кг; d_э=4 мм; σ≈0,5 мм (С.Д. Птицын, Зерносушилки, М., Машгиз, 1962, с 35) Ко=6. Параметры агента сушки и процесса сушки

υ=20·10^-6 м²/с; ΔU=0,11 кг/кг

; ; где Re, Nu - числа Рейнольдса и Нуссельта соответственно, причем для рассматриваемого гидродинамического режима сушки Nu=0,106 Re (при 20<Re<200)

Так как процесс сушки проходит практически во втором периоде, то (t_a.c-θ)=(t_a.c-41/2)≈25°C

; ;

Предложенный скоростной режим сушки позволит использовать на сушке элитных и ценных сортов семян высокопроизводительные сушилки, производительность которых па порядок выше зачастую используемых установок с естественной конвекцией.

Изобретение относится к сушке семян и может быть использовано в сельском хозяйстве. Способ безопасной сушки семян заключается в том, что материал загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают. Новое в изобретение то, что скорость агента сушки ограничивают величиной коэффициента теплоотдачи α, который определяют следующим образом: де λ, - коэффициент теплопроводности зерновки, Вт/м °С; ΔU - снижение влагосодержания зерновки, кг вл/кг мат; r - теплота парообразования, кДж/кг, σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м; с - теплоемкость зерновки, кДж/кг °С; t_a.c - температура агента сушки, °С; θ - температура семян, °С; Ко - число Коссовича. Изобретение должно обеспечить возможность использования на сушке элитных и ценных сортов семян высокопроизводительных сушилок. 2 ил.

Способ безопасной сушки семян, заключающийся в том, что семена загружают, вентилируют агентом сушки, охлаждают и разгружают, отличающийся тем, что скорость агента сушки ограничивают величиной коэффициента теплоотдачи α

где λ - коэффициент теплопроводности зерновки, Вт/м °С; ΔU - снижение влагосодержания зерновки, кг вл/кг мат; r - теплота парообразования, кДж/кг, σ - толщина сферы зерновки с зародышем, м; с - теплоемкость зерновки, кДж/кг °С; t_a.c - температура агента сушки, °С; θ - температура семян, °С; Ко - число Коссовича.