Исследование инфракрасного способа сушки зерна

Автор: Долгих П.П., Кулаков Н.В., Лоц Е.В.

Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau

Статья в выпуске: 12, 2016 года.

Бесплатный доступ

Ключевым условием сохранности зерна яв-ляется качественная сушка с применением новейших достижений научно-технического прогресса. Инфракрасная сушка отличается экологичностью и высокой эффективностью, однако режимы изучены мало и требуют эм-пирического обоснования. В работе в качестве источника излучения была использована ин-фракрасная зеркальная лампа мощностью 250 ватт; обрабатывалась пшеница сорта Ал-тайская-70. В первом эксперименте было ус-тановлено, что при увеличении толщины слоя пшеницы в 2 раза время обработки увеличива-ется в 3 раза за счет медленного испарения воды с поверхности зерна путем естествен-ной конвекции. Расход электроэнергии увели-чивается в 3 раза. Второй эксперимент пока-зал, что при применении искусственной по-стоянной вентиляции во время сушки измене-ние высоты подвеса облучателя не приводит к уменьшению времени обработки. При тол-щине слоя 0,012 м время сушки составило 75 минут при высоте подвеса облучателя 0,2 и 0,5 метра. Расход электроэнергии увеличива-ется за счет мощности вентилятора 0,03 кВт. Предварительные эксперименты показали, что для повышения эффективности сушки зерна с 23 до 13 % влажности необходи-мо применять дополнительную вентиляцию с импульсным режимом включения вентилято-ра: 4 минуты - пауза, 1 минута - работа. В результате определены целесообразные ре-жимы подсушивания зерна пшеницы с высотой подвеса облучателя 0,1 метра над его поверх-ностью и импульсным вентилированием при толщине слоя 0,02 метра. Время сушки со-ставляет 105 минут. При этом энергоём-кость обработки составляет 1208,9 кВт·ч/т, стоимость обработки одной тонны пшеницы - 1765 рублей.

Еще

Сушка зерна, инфракрас-ное излучение, режимы инфракрасной суш- ки, импульсная вентиляция, толщина слоя зерна, влажность зерна, энергоемкость, ик-обработка

Короткий адрес: https://sciup.org/14084585

IDR: 14084585

Текст научной статьи Исследование инфракрасного способа сушки зерна

Введение. Качественная сушка зерна, зер-нопродуктов и других сельскохозяйственных культур является неотъемлемым этапом обработки полученной продукции. Устойчивое состояние зерна при хранении обеспечивается в первую очередь сушкой. Лишь в том случае, когда из пищевого зерна или семян удалена свободная влага, продукция может оставаться в хорошем состоянии несколько месяцев [1].

По результатам современных исследований, одним из наиболее перспективных способов является сушка инфракрасным излучением (ИК) [2-4].

Однако при инфракрасном теплоподводе на поверхности зерна создается более высокая плотность теплового потока в (20-100 раз), чем при конвективном теплоподводе. Это приводит к очень быстрому нагреву зерна до предельно допустимой температуры, тогда как влажность его за короткий промежуток времени снижается незначительно. К тому же вследствие слабой проницаемости зерна инфракрасными лучами весь поток тепла сосредотачивается на поверхности зернового слоя. В глубину слоя толщиной в одно зерно проходит около 20 % всей подающей энергии, а через слой в два зерна - всего лишь 5 %. Поэтому для создания промышленной сушилки требуются большие поверхности, на которых должно размещаться тонким слоем высушиваемое зерно [5].

Таким образом, сушка зернового материала при минимальном расходе энергии является актуальной задачей агропромышленного комплекса, решение которой должно включать в себя обоснование режимов ИК-обработки.

Цель работы. Определение рациональных режимов обработки зернового материала энергией ИК-излучения.

Методика и результаты исследований. Для выявления рациональных режимов обработки зернового материала ИК-лучами были разработаны методика проведения эксперимента, экспериментальная установка. В качестве источника ИК-излучения была использована инфракрасная зеркальная лампа марки ИКЗ-250. В эксперименте использовалась пшеница сорта Алтайская-70.

Для эксперимента предполагается использование зерна, влажность которого приближена к естественной влажности во время уборки и составляет около 23 %. В связи с тем, что в наличии не оказалось пшеницы с такой влажностью, было использовано уже высушенное зерно, влажность которого составляла 13 %. Для доведения пшеницы до естественной влажности была использована методика увлажнения зерна.

Подготовка материала осуществлялась следующим образом: за три дня до проведения исследования необходимо увлажнить зерно до заданной влажности, которую определяют с помощью влагомера «Фауна-М». Для равномерного распределения влажности по всей массе зерна его увлажняют следующим образом. Взвешивают образец сухого зерна G h и определяют его влажность. Затем рассчитывают количество воды W , которое необходимо добавить к навеске, чтобы получить заданную влажность 0

зерна й к по формуле

W = G h •

( « к — ® ⁰ ) ( 100 - « 0 ) ’

где G_H - масса зерна при влажности ш _н , кг;

ш _н ш _к - влажность зерна соответственно до и после увлажнения, %.

При тщательном перемешивании в зерновую массу в течение первого дня добавляют воду небольшими порциями. Увлажненное зерно ставят в холодильник или термостат и хранят при температуре 3..5ºС два дня. В течение этого периода зерно тщательно перемешивают два-три раза в день.

Для данного эксперимента было заготовлено 3,5 кг пшеницы, влажность до увлажнения составляла 13 %, необходимая влажность была принята за 23 %. Исходя из этих данных, рассчитаем необходимое количество воды, используя выражение (1)

W = 3,5 . ( ²³ - ¹³ ) = 0,402кг = 402 г.

( 100 - 13 )

После получения необходимой влажности сушка пшеницы осуществлялась на экспериментальной установке (рис. 1).

Снятие измерений проводилось при высоте подвеса облучателя Н =0,5 м, начальная толщина слоя пшеницы была h =0,006 м; затем толщина слоя пшеницы была увеличена до 0,012 м. Температура регистрировалась термогигрометром CENTER-311. Зерновой материал при этом нагревался до температуры T =38˚С.

Данные во время эксперимента снимались каждые 15 минут, при этом материал перемешивался. Были получены следующие результаты (табл. 1, рис. 2).

Рис. 1. Экспериментальная установка для сушки зерна ИК-излучением: 1 – крепление, подвес;

2 – патрон; 3 – отражатель; 4 – лампа ИКЗ-250; 5 – зерно; 6 – ванночка;

7 – рабочая поверхность (стол)

Таблица 1

Результаты измерений при высоте подвеса облучателя 0,5 м

Номер п/п	Время t, мин	Толщина слоя h, м	Опыт №1
Номер п/п	Время t, мин	Толщина слоя h, м	Масса m, г	Влажность ω, %
1	2	3	4	5
1	0	0,006	131	23
2	15		125	20,2
3	30		123,2	16,3
4	45		120,6	14
1	0	0,012	276	23
2	15	0,012	274	27

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5
3	30		270	26,5
4	45		266	22,8
5	60		253	22,3
6	75		248	21
7	90		245	20,2
8	105		242	19,2
9	120		238,2	18,2
10	135		236	17,3

Рассчитаем расход электроэнергии, кВт·ч где Р – мощность лампы, кВт; t – время, затраченное на сушку, ч.

W = Р л • t, (2) W_Ofi = 0 0,25 • 0,75 = 0,18 75 кВт • ч;

W_{o o} = o 0,25 • 2,25 = 0,5625 кВт • ч.

Рис. 2. График изменения влажности зерна при высоте подвеса облучателя 0,5 м

После получения результатов был сделан вывод, что при увеличении толщины слоя пшеницы дальнейшие эксперименты по сушке теряют смысл, так как влага, которая выделяется в результате нагрева, не успевает испаряться путём естественной конвекции и затрудняет снятие показаний, так как их поверхность оказывается смоченной и прибор регистрирует высокую влажность, которая не соответствует влажности самой пшеницы.

Было решено для устранения этого противоречия применить искусственную вентиляцию путём внесения изменений в установку и добавления осевого вентилятора (рис. 3) для ускорения процесса испарения влаги с поверхности зёрен.

После внесения изменений были проведены опыты при толщине слоя пшеницы h =0,012 м, при этом высота подвеса облучателя Н 1 =0,5 м, Н 2 =0,2 м. Результаты проведённых опытов представлены в таблице 2 и на рисунке 4.

Рис. 3. Экспериментальная установка с искусственной вентиляцией: 1 – крепление, подвес; 2 – патрон; 3 – отражатель; 4 – лампа ИКЗ-250; 5 – зерно; 6 – ванночка; 7 – рабочая поверхность (стол); 8 – цилиндрическая опора с перфорацией для установки ванночки; 9 – вентилятор в корпусе; 10 – подставка вентилятора

Таблица 2

Номер п/п	Высота подвеса H, м	Время, t, мин	Толщина слоя h, м	Опыт №1
Номер п/п	Высота подвеса H, м	Время, t, мин	Толщина слоя h, м	Масса m, г	Влажность ω, %
1	0,5	0	0,012	178,6	23
2		15		169	19
3		30		164,4	18,2
4		45		158,4	17,2
5		60		155,6	16,8
6		75		152,8	16,1
1	0,2	0	0,012	178,9	23
2		15		169,5	19,5
3		30		164	18,2
4		45		158,2	17,5
5		60		155,4	16,6
6		75		152	16

Результаты измерений с постоянной вентиляцией

Рис. 4. График изменения влажности с применением постоянной искусственной вентиляции при h=0,012 м

Рассчитаем расход электроэнергии, кВт·ч, при искусственной вентиляции, используя выражение

W = ( Р л + Р в ) • t , (3) где Р_л - мощность лампы, кВт; Р_в - мощность вентилятора, кВт; t – время, затраченное на сушку, ч.

W = (0,25 + 0,03) • 1,25 = 0,35 кВт • ч.

В процессе проведения опытов было замечено, что постоянная вентиляция сильно снижает температуру нагрева пшеницы, тем самым увеличивая время её сушки. Было принято решение изменить режим вентиляции с постоянного режима на импульсный: вентилятор включается на 1 минуту каждые 4 минуты. Были проведены опыты при высоте подвеса облучателя 0,1 м. Опыты проводились в 3-кратной повторности для точности эксперимента. Результаты опытов представлены в таблице 3 и на рисунке 5.

Таблица 3

Номер п/п	Время t, мин	Толщина слоя h, м	Опыт №1	Опыт №2	Опыт №3	Среднее значение	Опыт №1	Опыт №2	Опыт №3	Среднее значение
Номер п/п	Время t, мин	Толщина слоя h, м	Масса m, г				Влажность ω, %
1	0	0,012	178,2	178,6	177,8	178,2	23	23	23	23
2	15		170	169	171	170	22,3	22,2	22,4	22,3
3	30		164,2	164,4	164	164,2	16,1	16,2	16	16,1
4	45		159	158	160	159	14,6	14,5	14,4	14,5
5	60		155,2	155,4	155	155,2	13,3	13,4	13,2	13,3
1	0	0,015	290	291	289	290	23	23	23	23
2	15		279,6	280	279,2	279,6	19,7	19,8	19,6	19,7
3	30		270,6	270,8	270,4	270,6	18,2	18,4	18	18,2
4	45		263,2	263,6	262,8	263,2	16,6	16,7	16,5	16,6
5	60		257,4	257,6	257,2	257,4	15,3	15,4	15,2	15,3
6	75		252,6	252,8	252,4	252,6	14,3	14,5	14,1	14,3
7	90		248	249	247	248	13,4	13,5	13,3	13,4
1	0	0,02	369	370,6	372,2	370,6	23	23	23	23
2	15		358,1	358,6	359,1	358,6	20	20,2	20,4	20,2
3	30		348,6	349	349,4	349	18,6	18,7	18,8	18,7
4	45		339,8	340,2	340,6	340,2	17,3	17,5	17,7	17,5
5	60		332,2	332,6	333	332,6	16	16,1	16,2	16,1
6	75		326	326,4	326,8	326,4	15	15,1	15,2	15,1
7	90		320,5	320,8	321,1	320,8	13,9	14	14,1	14
8	105		316	316,2	316,4	316,2	12,9	13	13,1	13

Результаты измерений с импульсной вентиляцией

Рис. 5. График изменения влажности с применением импульсной искусственной вентиляции

Рассчитаем расход электроэнергии, кВт·ч, при импульсной искусственной вентиляции, используя выражение w = Рл • t + Рв ■ t, (4)

где Р _л – мощность лампы, кВт; р_В – мощность вентилятора, кВт; t – время, затраченное на сушку, ч.

Рассчитаем энергоемкость ИК-обработки Э , кВт∙ч/т, одной тонны пшеницы по трем вариантам толщины слоя (табл. 4).

Расчет энергетических показателей

Таблица 4

Толщина слоя h, м	Расход электроэнергии W, кВт·ч	Энергоемкость ИК-обработки Э, кВт∙ч/т
0,012	0,256	1436,6
0,015	0,384	1324,14
0,02	0,448	1208,9

Толщина слоя h, м

Рис. 6. График зависимости энергоемкости сушки зерна от толщины слоя

Выводы

1. Наиболее целесообразный режим сушки зерна пшеницы – высота подвеса облучателя 0,1 м над приемной поверхностью; импульсный режимом включения вентилятора: 4 минуты – пауза, 1 минута – работа, толщина слоя зерновой насыпи – 0,02 м.
2. Энергоёмкость процесса сушки составляет 1208,9 кВт·ч/т; стоимость обработки одной тонны пшеницы составит 1765 руб. (при стоимости 1 кВт∙ч электроэнергии, равной 1,46 руб.).

Список литературы Исследование инфракрасного способа сушки зерна

Музычева О.С., Беззубцева М.М. Совре-менные методы инфракрасной сушки зерна и зернопродуктов//Международный сту-денческий научный вестник. -2015. -№ 6. -URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id =13418 (дата обращения: 08.10.2016).
Проничев С.А. Импульсная инфракрасная сушка семенного зерна: дис. … канд. техн. наук. -М., 2007. -161 с.
Голубкович А.В., Павлов С.А. Новые техно-логия и установка для инфракрасной сушки семян и зерна//Сборник научных докладов ВИМ. -М.: Изд-во ВИМ, 2011. -С. 385-392
Пат. 2282340 Российская Федерация, МПК7 А01С 1/00, А23L 3/26. Облучательная ка-мера/П.П. Долгих, Н.В. Кулаков, Е.В. Лоц; заявитель и патентообладатель Краснояр-ский государственный аграрный университет. -№ 2004134983/12; заявл. 30.11.2004; опубл. 27.08.2006, Бюл. № 24.
Резчиков В.А. Теория и практика энерго-сбережения при сушке зерна: обзор. инф. Сер. Элеваторная промышленность. -М., 1991. -51 с.

Статья научная