Сушильная установка для первичной обработки зерна с использованием солнечной энергии

Введение. Несмотря на засушливый климат в южной зоне нашей страны, ежегодно приходится сушить зерно и поздние зерновые культуры, особенно собираемые при обкосах перед закладкой их на хранение. На сегодняшний день в зерновом производстве уровень энергоемкости в себестоимости продукции остается высоким, но в то же время имеет большое значение, так как от него зависят качество зерна и объём его производства.

Снизить первичную энергоемкость и повысить экологичность процесса сушки зерна позволит замена энергетического топлива на сушильный агент заданных характеристик, получаемый на основе использования солнечной энергии.

В работе рассматривается возможность и целесообразность использования солнечной сушилки как дополнительного агрегата в системе первичной обработки зерна.

Данная комбинация энергетических потоков позволит обеспечить экономичность системы в целом по сравнению с традиционными системами, в которых затраты на топливо составляют примерно 20% от общих затрат в производстве зерна.

Солнечную сушильную установку предлагается размещать в полевых условиях. Установка практически не требует технического обслуживания и достаточно надежна по сравнению с традиционными сушильными агрегатами, где затраты на техническое обслуживание доходят до 11% от общих эксплуатационных затрат.

Эффективность первичной обработки зерна в предлагаемой системе достигается за счет сокращения процесса подготовки зерна к длительному хранению, снижения потерь зерна при хранении и получения более качественного продукта, что может благоприятно отразиться на ценовой политике на зерно.

Работа может представлять практический интерес для небольших хозяйств, занимающихся производством зерновых культур и может быть направлена на развитие агропромышленного комплекса Южного федерального округа.

Цепью исследований была разработка схемы солнечной технологической установки, позволяющей снизить первичную влажность зерна без дополнительных энергетических за трат. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

• -    проанализировать энергетические затраты в существующих зерносушильных агрегатах;

• -    определить для территорий с большими объемами производства зерна возможность использования солнечного потенциала;

• -    изучить опыт российских и зарубежных авторов по созданию солнечных сушилок;

• -    разработать конструкцию солнечного воздухоподогревателя для получения сушильного агента.

Сушка зерна - это основная технологическая операция по приведению его в устойчивое равновесное состояние при его хранении. Только после того, как из зерновой массы удалена вся избыточная влага, можно рассчитывать на надежную сохранность зерна в течение длительного периода времени.

Сегодня существует два основных способа удаления избыточной влаги из зерна: удаление влаги из зерна без изменения её агрегатного состояния и без подвода тепла (сорбционная и химическая сушка); с изменением агрегатного состояния влаги в зерне с помощью подвода тепла (радиационная, контактная и конвективная сушка).

В сельскохозяйственном производстве для сушки зерновых культур используется преимущественно конвективная сушка с подводом теплоты [1]. Все существующие зерносушильные агрегаты имеют высокую энергоемкость (большие затраты тепловой и электрической энергии), о чем свидетельствуют их технические характеристики [2]. По удельным затратам тепловой энергии на первом месте находятся шахтные сушилки (от 800 до 350 МДж/т зерна), далее следуют барабанные (400-350 МДж/т зерна), рециркуляционные (-350 350 МДж/т зерна) и конвейерные (300-250 МДж/т зерна). Конвейерные сушилки, взятые за основу в данной работе из-за своей компактности, имеют минимальные энергетические затраты.

По данным статистики 2017 года больше всего произведено зерна в Южном федеральном округе - 36,2 млн тонн [3]. Места в производстве зерна распределились среди регионов в 2017 году следующем образом (таблица 1).

В таблице 1 также представлено количество солнечной инсоляции некоторых регионов [4-6].

Таблица 1 - Количество произведенного зерна и инсоляция по отдельным регионам России

Регионы	Произведено пшеницы, млн т	Приход солнечной радиации в июне-августе. МДж/м2 день	Продолжительность солнечного сияния, часов в год
1. Краснодарский край	14,7	19,24	2000-2400
2. Ростовская область	13,2	20,56	2000-2200
3. Ставропольский край	9,3	20,84	2200-2400
4. Воронежская область	5,5	18,13	1750-1950
5. Алтайский край	5,2	20,13	2000-2300
6. Республика Татарстан	5,0	18,69	1760-1900
7. Курская область	4,5	17.08	1750-1800
8. Оренбургская область	4,2	18,14	2190-2200
9. Тамбовская область	3,9	14,35	1700-1750
10. Республика Башкирия	3,8	18,16	1800-2020

Как видно из таблицы, имеющийся потенциал для регионов с высоким объемом производства зерна достаточен, чтобы его использовать в тепловых технологических процессах первичной обработки зерна.

Авторами работ в области применения солнечной энергии для сушки различных материалов предложено несколько технологических установок - как с использованием тепловых процессов [7, 8], так и прямого солнечного преобразования в электрическую энергию калорифера [9]. Более подробно рассматривается использование солнечной энергии в книге Джона Дьюфай и Уильяма Бекмана «Тепловые солнечные установки» [10]. Опыт проведенных исследований по получению теплоносителя с использованием солнечной энергии для технологических процессов сушки показывает, что существующие технологии еще недостаточно эффективны, сами технологические установки громоздки и дорогостоящи, но тем не менее они позволяют существенно снижать затраты энергоносителей.

Процесс нагрева воздуха за счет альтернативных источников энергии также имеет место в работах отечественных и зарубежных авторов. Американским ученым Абдурахманом-Хамди был разработан солнечный подогреватель воздуха сложной геометрической формы, позволяющий регулировать выходную температуру теплоносителя [11]. Более подробно влияние геометрии, угла наклона и скорости потока воздуха в солнечном подогревателе на выходные характеристики теплоносителя были исследованы автором Афак Джасим Махмудом [12]. Данные воздухоподогреватели, к сожалению, не предназначены для прохождения через них большого потока воздуха для получения сушильного агента, к тому же они имеют сложные формы и требуют специальных навыков для их изготовления.

Анализ существующих разработок использования солнца для сушки материалов позволяет утверждать, что применение комбинации радиационно-конвективной сушилки с солнечным воздухоподогревателем дает новый подход в первичной обработке зерна.

Методика исследования. Была создана схема солнечной сушилки, позволяющая заменить природное топливо в тепловых процессах сушки на альтернативный возобновляемый источник. Рассматриваемая солнечная сушилка представляет собой комплекс устройств, в который входит [2]: бункер-дозатор, транспортер-адсорбер, солнечный воздухоподогреватель (рисунок 1). Для элекгрообеспечения привода вентилятора и транспортера используются фотоэлектрические преобразователи.

Для обеспечения радиационно-конвективной сушилки сушильным агентом требуемого потенциала был произведен тепловой расчет гелио воздухоподогревателя, результатом которого явилось определение его геометрических параметров (рисунок 2).

1 - бункер-дозатор; 2 - распределяющий нож; 3 - светопрозрачное покрытие (закаленное стекло);

4 - колосниковая решетка; 5 - змеевик с водой; 6 - вал транспортера;

7 - воздушный солнечный подогреватель; 8 - вентилятор; 9 - приемный бункер Рисунок 1 - Схема солнечной радиационно-конвективной сушилки

Рисунок 2 - Схема гелио воздушно го колле пора

Задавались следующие исходные данные для расчета (таблица 2).

Таблица 2 - Исходные данные для теплового расчета коллепора

Величина	Обозначение, размерность	Значение
Температура окружающего воздуха	ta, °C	25
Температура поглощающей пластины	tpi. °C	146
Скорость воздуха над поверхностью коллепора	9. м/с	5
Число стеклянных покрытий	л, шт.	1
Степень черноты пластины		0,93
Степень черноты стекла (покрытия)	£д	0,88
Теплопроводность поглощающей пластины (ребра) (сталь)	Ар, Вт/(мК)	45
Толщина поглощающей пластины	бп, м	0,003
Теплопроводность тепловой изоляции (базальтовая вата)	Хи, Вт/(мК)	0,036
Толщина тепловой изоляции	би, М	0,05
Теплоемкость воздуха	Ср, Дж/(кгК)	1,0
Расход воздуха, проходящего через коллепор [2]	G, кг/с	0,37
Интенсивность солнечного излучения	Е, Вт/м?	500

Суммарные теплопотери в солнечном воздухоподогревателе составили:

U_L=U_t+U_b,        (1)

где 1Л—общий коэффициент теплопотерь, Вт/(м2К);

Ut - коэффициент теплопотерь от поглощающей пластины к окружающей среде, Вт/(м2 К), pi \ 11+ V / где п - число стеклянных покрытий;

Тр- температура поглощающей пластины, К;

Га - температура окружающей среды, К;

f = (1,0 — 0,04do> + 5 • 10^-4d²w) • (1 + 0,058п) - коэффициент;

dw = 5,7 + 3,8 -19;

19-скорость движения среды над покрытием, м/с;

а = Е_п • С_о • 10^-8- коэффициент лучеиспускания, Вт/(м²-К⁴),

Һ ~ и! и _ коэффициенттеплопотерь через нижнюю изоляцию, Вт/м²;

К, Хи- теплопроводность изоляции; би - толщина изоляции.

Теплота, переданная воздуху в коллекторе, определялась по формуле

Q„=S-F_t-E,        (4)

где S - площадь поглощающей пластины, м2;

F_k- коэффициент отвода тепла из коллекто-

Ғ_р - эффективность ребра (пластина): Ft- эффективность ребра (ребро),

СТ] + .

1/СТ] +1/а2

где Oi - коэффициент теплоотдачи от стекла к воздуху, зависящий от скорости движения воздушного потока, ^ — 5,6 + 4- w;

№- скорость воздушного потока;

02- коэффициент теплоотдачи от воздуха к поглощающей пластине.

где G - массовый расход жидкости, кг/с;

с_р - теплоемкость жидкости Дж/(кг К);

Ғ- коэффициент поглощающей поверхнос

ти,

— + —---

^р ^р ’ ^2 "

где Fo - эффективность теплоотдающей поверхности;

где Or - средний коэффициент теплоотдачи поглощающих поверхностей,

^ Трі-Та " Tpi^a а,. =--------------------------------. (9)

^ер+ ^і8® -1

Средняя температура воздуха в коллекторе

Tf-T.*-^ — X-FtlF ■(,0,

Отсюда температура поглощающей пластины

где Зр - суммарная площадь ребер, м2.

Интеграционный расчет ведут следующим образом: задаются предварительно темпе ратурой поглощающей пластины Тр( и конструктивными данными коллектора, далее расчет ведут по вышеприведенным уравнениям и находят Трм. Если совпадения нет, то подставляют уже найденную величину и снова ведут расчет до тех пор, пока не будет должного совпадения, при этом корректируют размеры коллектора таким образом, чтобы в результате получить требуемую температуру сушильного агента.

Результаты и их обсуждения. В результате итераций были выбраны следующие размеры коллектора (таблица 3).

Как видно из таблицы, солнечный воздушный подогреватель имеет компактность и способен обеспечивать требуемые значения сушильного агента.

Таблица 3 - Результаты конструктивного расчета коллектора

Размеры коллектора	Обозначение, размерность	Значение
длина	L, м	2,5
ширина	В, м	2,0
высота	Н, м	0,13
Высота ребер	Һр, м	0.07
Толщина ребер	бр, м	0,003
Расстояние между ребрами	Ьр, м	0,07

Для данного коллектора характерно то, что с увеличением инсоляции и снижением скорости ветра температура сушильного агента растет (рисунок 3). В этом случае для стабили зации процесса можно использовать регулируемые жалюзи. Также двойное остекление коллектора дает значительное увеличение температуры.

Температура воздуха в коллекторе Tf, °C

1 - от инсоляции; 2 - от скорости ветра Рисунок 3 - Зависимость температуры сушильного агента, получаемого в солнечном коллекторе

Выводы

• 1.    Рассмотрена возможность использования радиационно-конвективных солнечных сушилок. Анализ солнечного потенциала местности, где предполагается использование солнеч

• 2.    Предложена конструкция солнечной сушилки, которая позволит снизить затраты на энергетическое топливо и повысить качество семенного материала при хранении. Данная

• 3.    Определены конструктивные размеры солнечного воздушного коллектора, требуемые для создания сушильного агента определенного потенциала. Изменение температуры сушильного агента в зависимости от инсоляции в таком коллекторе можно скорректировать путем установки регулируемых жалюзи.

ных сушилок, показал, что применение их будет целесообразно.

сушилка достаточно надежна, экологична и практически не требует технического обслуживания по сравнению с существующими сушильными агрегатами.