Сушка зерна в режиме фонтанирующего слоя

Введение. «Фонтанирование» - относительно новый метод контактирования воздушного потока с зерновым материалом при его сушке. [1-6]. Фонтанирующий слой является в известной степени сочетанием кипящего слоя в разбавленной фазе и одновременно существующего движущегося слоя зерна (рисунок 1е).

Агент сушки подается в сушильный аппарат через отверстие в вершине подводящего конуса [7, 8]. При этом не создается благоприятных условий для его последующего распределения по всему поперечному сечению аппарата. Благодаря этому образуется центральный канал, в котором зёрна движутся вверх. Зерно попадает в образовавшийся канал главным образом в конической секции.

Рисунок 1 – Разновидности псевдоожиженных систем: а – общая схема аппарата с псевдоожиженным слоем; б – слой с барботажем пузырей; в – слой с поршнеобразованием; г – слой со сквозным каналообразованием; д – слой с частичным каналообразованием; е – фонтанирующий слой; 1 – корпус; 2 – воздухораспределительное устройство; 3 – псевдоожиженный слой; 4 – пузырь; 5 – непрерывная фаза; 6 – воздушная «пробка»; 7 – «поршень» из зерна; 8 – канал; 9 – застойная зона зерна; 10 – частичный канал над решеткой; 11 – застойная зона; 12 – фонтан; 13 – осевое ядро; 14 – периферийная зона со сползающим слоем

Но, как показали проведенные опыты [9, 10] зёрна могут попадать в канал также из более высоких частей слоя.

Концентрация зернового материала в центральном канале возрастает с высотой, в тоже время очертания канала становятся значительно менее отчетливыми. Однако можно считать, что отношение весовых количеств зерна и воздуха в центральном канале имеет практически такой же порядок величин, что и в типичной разбавленной фазе псевдоожиженной системы (рисунок 1а).

Из верхней части канала зёрна отбрасываются радиально к периферии, где образуется кольцевой опускающийся слой. В этом кольце зёрна движутся вниз без существенного изменения их относительного положения.

Одновременное существование указанных двух фаз приводит к появлению характерной циркуляции, так что зерно поднимается вверх по оси и затем в кольцевой зоне опускается под действием силы тяжести плотным слоем. Распределение воздуха по сечению слоя является крайне неравномерным.

Это напоминает состояние, характерное для кипящих слоев с ярко выраженной склонностью к каналообразованию (рисунок 1г). Очевидное сходство между фонтанированием и каналообразованием в кипящем слое следует также из кривой ожижения, характеризующей зависимость перепада давления в слое от расхода воздуха.

Цель исследований. Повышение эффективности технологического процесса сушки зернового вороха путем совершенствования конструкции сушилки с фонтанирующим зерновым слоем и обоснования основных технологических параметров.

Материал и методы. Лабораторные исследования проводились на экспериментальной установке, представленной на рисунке 2. Исследование процесса сушки зерна семенного и продовольственного назначения проводились на экспериментальной сушилке, конструкция которой позволяет производить настройку машины в широком диапазоне. В зависимости от применяемой культуры, целей сушки возможны следующие регулировки: температуры агента сушки; подачи зерна в сушильную камеру; изменение параметров кипящего слоя путем изменения расхода воздуха напорного вентилятора.

Рисунок 2 – Общий вид экспериментальной сушилки зерна

Зерновой материал поступает в сушильную камеру 2 (рисунок 3). Создаваемый вентилятором 9 воздушный поток проходит через нагревательный элемент 5, нагревается до заданной температуры и, проходя через газораспределительную решетку 3, подается в сушильную камеру.

Рисунок 3 – Технологическая схема зерносушилки: 1 – охладительная камера; 2 – сушильная камера; 3 – решетчатое дно; 4 – насадка; 5 – нагревательные элементы; 6 – заслонка; 7 – пневмотруба; 8 – кольцевой зазор; 9 – вентилятор

Через зерновой слой в сушильной камере 2 проходит струя агента сушки и зёрна 40

движутся вверх в режиме пневмотранспорта, а затем при выходе струи из слоя выпадают и опускаются в охладительной камере 1. Происходящая таким образом в фонтанирующем слое циркуляция частиц – подъем в центральной части слоя и опускание в периферийной – более интенсивна, чем встречающаяся в обычных псевдоожиженных слоях.

В начале процесса происходит обычная фильтрация, а затем в нижней части слоя образуется короткий канал, в результате чего при дальнейшем увеличении скорости фильтрации сопротивление слоя зерна начинает падать, так как канал становиться все длиннее.

Затем наступает расширение слоя и первая стабилизация сопротивления слоя под влиянием двух противоположно действующих факторов – увеличения сопротивления по причине роста высоты слоя и уменьшения давления из-за развития канала. Далее, канал прорывается сквозь весь слой, и происходит новое резкое падение давления. Наконец, возникает вторая стабилизация гидравлического сопротивления слоя – наступает фонтанирование.

Результаты и обсуждение. В процессе сушки, температура единичного зерна растет не беспрерывно, а по волнообразной кривой. Максимальные значения нагрева зерна чередуются с минимальными значениями, но максимальные постепенно повышаются. Общая кривая нагрева зерна представляет собой усредненную кривую между максимальными и минимальными значениями (рисунок 4).

Рисунок 4 – Зависимость температуры зерна θ от скорости фильтрации ν

Интенсивность нагрева зерна зависит также от скорости воздушного потока ν пронизывающего псевдоожиженный зерновой слой. Минимальная рабочая скорость воздуха, обеспечивающая устойчивое и равномерное фонтанирование слоя была принята равной 2,2 м/с. Максимальное значение скорости фильтрации было принято равным 3 м/с. Дальнейшее повышение скорости нецелесообразно, так как наблюдаются непроизводительные потери агента сушки.

Анализ графических зависимостей температуры зерна θ от скорости фильтрации ν при различных температурах агента сушки t показывает, что процесс нагрева зерна значительно интенсифицируется с ростом скорости ν . Максимальное значение температура зерна при температуре агента сушки 100 ⁰С принимает, когда скорость воздушного потока достигает 3 м/с.

Дальнейшее увеличение скорости ν приведет к перегреву и снижению технологических качеств зерна.

Выводы. Для выявления потенциальных возможностей и границ рационального применения фонтанирующего слоя необходимо прежде всего систематическое исследование его аэродинамики, сопоставление фонтанирующего слоя и классического псевдоожиженного слоя при каналообразовании. Фонтанирование по существу является частным случаем каналообразования, примером рационального использования этого нежелательного явления для организации контактирования агента сушки и зерен при устойчивой и интенсивной циркуляции зернового материала. При проектировании сушилок зерна фонтанирующего слоя следует ограничиться интервалом скоростей сушильного агента от 2 до 3 м/с.

Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin; 69 Generala Rodina str., Orel, 302019, Russian Federation