Методика расчета сушки зерна на гелиосушилке

В статье рассматривается альтернативный способ подсушки влажного свежеубранного зерна энергией солнца. Предлагаются гелиосушилка для подсушки зерна, конструкция которой защищена патентом РФ №108827, и технология, при которой обеспечивается подсушка зерна.

Гелиосушилка включает в себя сушильную камеру, ленточный транспортер, солнечные батареи, нагревательный элемент, электродвигатель, бункеры для подачи и приема зерна, зернопроводы, нории с распределительным коллектором. Подсушка зерна производится в сушильной камере непосредственно на ленточном полотне, обогрев которого происходит от нагревательного элемента, расположенного вдоль его длины. Зерно сушится не только от нагретой поверхности ленточного полотна, но и от лучей солнца, проникающих сквозь прозрачные стенки сушильной камеры. Попадание зерна на ленточное полотно обеспечивает нория с зернопроводом, на конце которого находится распределительный коллектор. Распределительный коллектор представляет собой прямоугольный приемник, в днище которого имеются воронкообразные отверстия, расположенные в шахматном порядке. Отверстия имеют диаметр больше линейного размера зерновки. Зерновки могут свободно проходить и равномерно распределяться тонким слоем на ленточный транспортер, который приводится в движение с помощью электродвигателя. Ширина коллектора не превышает ширины ленты транспортера. Электродвигатель и нагревательный элемент используют электрическую энергию, преобразованную от солнечных лучей панелями солнечных батарей. Высушенное зерно с транспортерной ленты попадает в приемный бункер. В зависимости от движения солнца солнечные батареи могут поворачиваться в нужном направлении.

Таким образом, на сушильной установке с использованием солнечной энергии зерно может подсушиваться до определенной температуры. Если возникнет необходимость досушить зерно, то можно будет использовать 2-3-кратный пропуск зерна через гелиосушилку.

В гелиосушилке обеспечивается кондуктивный метод сушки, при котором тепловая энергия зерну передается от нагретого полотна ленточного транспортера. Можно сказать, что обеспечивается и конвективная сушка в связи с прохождением солнечных лучей сквозь прозрачные стенки сушильной камеры, в результате чего происходит нагрев воздуха в камере и обогрев зерен конвекцией. Сочетание конвективно-кондуктивного метода сушки считается наиболее перспективным.

При изучении процесса сушки зерна на гелиосушилке зерновой слой можно рассматривать как сумму элементарных слоев. Под элементарным слоем понимается слой толщиной в одно зерно. В научной практике поддерживать такой слой затруднительно, поэтому исследования обычно проводят со слоем толщиной в 2-3 зерна, моделируя при этом некоторый пограничный слой, непосредственно контактирующий со свежим агентом сушки, поступающим в слой любой толщины. В гелиосушилке допустимы условия, при которых все зерна равномерно нагреваются.

На рисунке представлены совмещенные кривые нагрева и сушки зерна, полученные при различной температуре агента сушки.

В диапазоне температур, достигаемых в гелиосушилке 50-100 оС, сушка протекает с постоянной скоростью влагоотдачи при непрерывно возрастающей температуре зерна. Отмечено, что с повышением температуры нагрева испарение влаги ускоряется. Как следует из графика (см. рис.), уже через 20-60 с температура зерна составляет 35 оС и начинает возрастать. Интенсивность сушки зависит от начальной влажности зерна, с ее повышением скорость сушки увеличивается, а интенсивность нагрева зерна снижается. Такая зависимость скорости влагоотдачи от начальной влажности зерна обусловлена, по мнению ученых-классиков, различием форм связи влаги в зерне.

τ, оС

W,с %

		2	1
	4				--
	3		" 3_
4	2
	1

Ө,о С

Рис. Кривые нагрева (1-4) и сушки (1-4) зерна в гелиосушилке

Изучая характер нагрева и сушки зерна в гелиосушилке, можно сделать вывод о том, что определяется предельная толщина слоя, выше которой скорость сушки начинает зависеть от нее. Таким слоем является элементарный, т.е. толщиной в одно зерно. Уже в слое толщиной в 2-3 зерна скорость сушки снижается по сравнению с элементарным, уменьшается также и интенсивность нагрева зерна.

Расчет гелиосушилки, как и любой зерносушилки, начинается с теплового расчета, то есть с определения количества испаренной влаги, расхода теплоты, продолжительности сушки, определения основных размеров сушильной камеры.

Расчет испаренной влаги. Согласно закону сохранения вещества, расход сырого зерна равен расходу высушенного зерна плюс испаренная влага, т.е.

G 1 = G 2 +W,                                     (1)

где G 1 и G 2 - расходы сырого и высушенного зерна, кг/ч; W - испаренная влага, кг/ч.

Так как зерно состоит из абсолютно сухого вещества G с.в . и влаги, можно записать:

w

G 1 = G с.в . 1 +₁₀₀ ¹ G 1 ;

G 2 = G с.в . 2 +₁^w₀₀ 2 G 2 .

Содержание сухого вещества зерна при сушке мало изменяется и может быть принято постоянным, то есть

G с.в . 1 = G с.в . 2

или

100 - w 1     100 - w ₂

GI           G у

1   100       2   100

Согласно уравнению (2), можно записать

^{100 - w} 1

G = G---- ²     1 100 - w ₂

или

100 - w ₂ G = G₂------- .

¹     2 100 - w 1

Подставляя в уравнение (1) значения G 2 и G 1 из уравнений (3) и (4), получим:

Потерю теплоты через ограждения сушильной камеры рассчитаем по известным фор- мулам теплопередачи как сумму потерь отдельными участками, то есть

Qогр = Σk ∙ F ∙ Δtср, где k – общий коэффициент теплопередачи участка ограждения сушильной камеры; F – площадь поверхности участка, м2; Δtср – средняя разность температур для участка, Δtср = tп - tв; tср – средняя температура на поверхности ленточного полотна, оС; tв – температура воздуха в сушильной камере, оС.

Уравнение теплового баланса сушильной камеры представится в следующем виде:

(G п ∙с п ∙Ө п ) + (G з ∙с з ∙Ө з ) + (G с ∙с с ∙Ө с ) = G с.з. ∙ с с.з . ∙ Ө с.з. + W ∙ c вл ∙ Ө с.з. + k ∙ F ∙ t п - t в.            (8)

В качестве уравнения для определения продолжительности сушки предложено множество вариантов. Для нашего случая при сушке зерна в элементарном слое наиболее подходящим является уравнение, предложенное А.В. Лыковым:

W. - Wn   1 , w k 1 - w p

T = TI +T2 =—---- k ¹ + — ln -------- ,

N k ( w2 - wp J

где τ – общая продолжительность сушки от влажности w1 до влажности w2; τ1- время начала сушки; t2 - время конца сушки; w1 и wk1 - соответственно начальная и конечная влажность зерна или влажность зерна в критической точке процесса; wp - равновесная влажность зерна для заданного режима сушки; N – скорость сушки; k – коэффициент сушки, определяемый экспериментальным путем ( k = 0,4 – 1,0 для толщины зерна 100–250 мм).

Важным показателем при сушке является снижение влажности. Снижение влажности за один цикл сушки зависит от начальной влажности и может быть рассчитано по уравнению [1]

f W 1 - W ₂ AW ц =А•ln•[e н ^1,13 1 _|00

где А – коэффициент, зависящий от w 1. Для мягкой пшеницы А = 3,4 10^-8 [1]; Ө н – температура нагрева зерна, ^оС; w 1 – влажность зерна, поступающего на сушку, %; w 2 – конечная влажность зерна, %.

Основные размеры гелиосушилки, определенные по конструкторским соображениям:

– длина, ширина, высота сушильной камеры 2500х1200х700 мм;

– длина, ширина ленточного полотна 2000х900 мм;

– установленная мощность электродвигателя 0,50 кВт.