Способы сушки зерна
Сушкой называют процесс, направленный на уменьшение влажности тел. Сушка сельскохозяйственных продуктов имеет большое народно-хозяйственное значение. Она важное звено в цепи мероприятий, предназначенных для сохранения и улучшения качества зерна.
Задача сушки нe ограничивается удалением влаги. Это одновременно и технологический процесс, при котором меняются свойства материалов (структурно-механические, технологические и биологические). Так, при переработке на мельницах сухого зерна увеличивается выход муки и уменьшается расход энергии на её получение. Такая мука лучше сохраняется. Сушка семенного зерна повышает всхожесть семян.
Уменьшение массы сельскохозяйственных продуктов в результате их сушки приводит к уменьшению транспортных расходов.
В сельском хозяйстве распространены тепловые сушильные установки. В процессе сушки протекают сложные тепломассообменные процессы. Решение задачи об оптимальных условиях сушки материалов требует учета комплекса факторов, а именно: семенных, биологических, технологических, энергетических и др. Знание тепломассообменных явлений, протекающих в процессе сушки, позволяет осуществить её оптимальный режим.
Большое разнообразие способов сушки, применяемых нa практике, основано нa двух принципах: удаление влаги из материала без изменения или с изменением его агрегатного состояния.
Ha первом принципе сушки (обезвоживания) основаны механические и сорбционный способы.
К механическому способу относят фильтрацию, прессование и центрифугирование. Этот способ находит применение, например, при выделении соков из плодов и ягод фильтр-прессованием.
При сорбционном способе влажный материал находится в непосредственном контакте с гигроскопическими веществами (хлористый кальций и др.). Сорбционный метод используют для сушки материалов, к которым нe применимы термические способы (семена фасоли, сои и др.).
Второй принцип сушки основан нa использовании теплоты для испарения и удаления влаги из материала, поэтому его называют тепловой сушкой.
В зависимости от способа подвода теплоты к объекту сушки различают конвективный, кондуктивный (контактный), радиационный, сублимационный и электрический способы.
Пpи конвективном способе теплота передается материалу путем конвекции от агента сушки (нагретый воздух или смесь нагретого воздуха с топочными газами). При этом влажные тела подвергаются воздействию теплоты и пара, находящихся в агенте сушки, т. е. имеет место гигротермическая обра6отка влажного материала. В сельскохозяйственном производстве этот способ нашёл наибольшее распространение.
Кондуктивным называют способ сушки, при котором теплота, необходимая для нагрева влажного материала и испарения жидкости, передается теплопроводностью при непосредственном контакте от нагретой поверхности к телу, подвергаемому сушке. Этот способ ранее применялся в подовых сyшилках, где зерно сушилось на горячей кирпичной поверхности (поде). Зерно при этом периодически перемешивали вручную.
Контактный способ сушки используют нa крупозаводах в паровых сушилках. В этом случае зерно, движущееся в сушилке, соприкасается с горячей поверхностью труб, внутри которых циркулирует пар. Паровые сушилки используют для сушки фруктов и овощей.
Радиационный способ сушки может быть естественным (солнечными лучами) и искусственным (инфракрасными лучами}. Солнечная сушка имеет ограниченное применение. Для сушки в этих условиях используют площадку из расчета 10...13 м2 нa 1 т зерна. Зерно размещают слоем в 10...15 см и периодически перемешивают (перелопачивают). В солнечную погоду в течение дня влажность зерна уменьшается на 3...4%. Для сушки инфракрасными лучами генераторами излучения служат специальные электрические лампы, керамические плиты и металлические панели, нагреваемые электрическим током или газом. Они характеризуются высоким тепловым напряжением. Температура на поверхности излучения достигает 1000...1200 K. В связи с этим во избежание перегрева материала используют прерывистое облучение (импульсная сушка).
Сублимационный способ сушки (молекулярная сушка) применяют в тех случаях, когда необходимо сохранить первоначальные свойства материала. Этот способ применяется для сушки фруктов, мяса, различных биологических препаратов, при глубоком вакууме (1...10 Па), причём механизм переноса теплоты и вещества (пара) становится иным. Вследствие интенсивного испарения большая часть влаги переходит в лед. При подводе к телу теплоты твердая фаза (лед), минуя жидкую, переходит в пар. Удаление влаги происходит путем превращения льда в пар и частично путем испарения переохлажденной жидкости. При этом полностью сохраняется молекулярная структура материала.
Электрический способ или сушка в электрическом поле токов высокой частоты (ТВЧ) заключается в том, что нагрев влажных материалов ТВЧ осуществляется за счёт превращения электрической энергии в теплоту. Поля температуры и влагосодержания непосредственно влияют на электрическое поле внутри материала, которое и обусловливает нагрев влажного тела.
Температура зерна, подверженного действию ТВЧ, повышается быстро, и тем самым может быть сокращена длительность сушки. Однако расход энергии при высокочастотной сушке велик (более 3 кВт ч на 1 кг испарённой влаги), поэтому этот способ не получил практического применения при сушке сельскохозяйственных продуктов.
Комбинированные способы сушки наиболее эффективны: конвективный совместно с кондуктивным, высокочастотным или радиационным; высокочастотный в сочетании с радиационным; сублимационный с радиационным и др.
Классификация и принципиальные схемы зерносушилок конвективного действия
Конвективный способ получил наибольшее применение в сельскохозяйственном производстве.
По конструкции сушильной камеры зерносушилки различают на шахтные, барабанные, камерные, пневмотрубные и конвейерные зерносушилки. При этом они могут быть одно- и двухшахтные, одно- и двухбарабанные. Камерные сушилки состоят из нескольких, иногда до десяти и более параллельно работающих камер.
Сушилки лоткового типа бывают стационарные или передвижные. Последние могут использоваться для сушки зерна непосредственно в поле у комбайна.
Основной конструктивный элемент сушилок лоткового типа - один или несколько лотков с дном из перфорированного листа. Сушилка оборудована топкой для получения горячих газов и вентилятором.
В камерной сушилке зерно засыпают в пространство между двумя перфорированными цилиндрами.
Ленточную (конвейерную) сушилку используют для сушки зерна, овощей, плодов и др. Материал располагают нa перфорированной стальной ленте или сетке, которая приводится в движение периодически или непрерывно. Сушильный агент поступает снизу.
Шахтные сушилки используют для сушки зерна. Шахты бывают жалюзийные, колонковые и с коробами. Зерно движется сверху вниз под действием собственного веса.
Сушильный агент поступает в поперечном направлении. Короба, подводящие теплоноситель, обозначены знаком (+), отводящие - знаком (-).
Просушенное зерно проходит камеру охлаждения и поступает в бункер.
Снижение влажности за один цикл сушки составляет 6... 12%; температура теплоносителя 70... 150 °С; расход теплоты - от 5030 до 5870 кДж на 1 кг испаренной влаги.
В барабанной зерносушилке основной конструктивный элемент - наклонный медленно вращающийся барабан (4...9 мин-1), в котором имеются лопасти, захватывающие и пересыпающие просушиваемый материал, пронизываемый теплоносителем. Основные характеристики барабанных зерносушилок следующие: снижение влажности за один цикл сушки 5...8%, расход теплоты в среднем 6280 кДж на 1 кг испарённой влаги, температура теплоносителя 150... 250 °С. Сушилки используют также для сушки семян трав, зеленой массы клевера и люцерны.
В вибрационных сушилках перфорированные лотки, расположенные в несколько рядов один над другим, приводятся в колебательное движение. Теплоноситель, подаваемый снизу, пронизывает слои зерна.
При сушке зерна в «кипящем» слое скорость теплоносителя должна быть 1...2 м/с. В этом случае вес отдельных зepeн уравновешивается подъёмной силой потока воздуха и слой зерна переходит в псевдосжиженное состояние, напоминающее кипящую жидкость. В так называемом кипящем слое происходит перемешивание зёрен и тем самым создаются хорошие условия для тепломассообмена в процессе сушки.
В пневматических сушилках зерно движется в потоке теплоносителя в трубе-сушилке. Продолжительность сушки за один проход невелика (при высоте трубы в 14 м продолжительность 5....6 с), поэтому снижение влажности незначительно. Для обеспечения требуемого снижения влажности мелкодисперсного материала процесс должен быть неоднократно повторен.
Пневмогазовые сушилки оборудованы пневматическими трубами с рециркуляцией зерна, что позволяет увеличить длительность процесса сушки. После кратковременного (2...5 с) нагрева в трубе-сушилке зерно поступает в охладительную камеру, состоящую из зон промежуточного (на схеме справа) и окончательного охлаждения (слева). Сушка зерна обеспечивается после многократного повторения циклов нагрева и охлаждения с рециркуляцией (из зоны промежуточного охлаждения зерно возвращается в сушильную трубу). Температура теплоносителя в трубе 230...280°С, расход теплоты 6500 кДж на 1 кг испаренной влаги.
Лотковые, камерные и конвейерные сушилки - установки периодического действия. Они просты пo устройству и в эксплуатации, но малопроизводительны и неэкономичны.
Шахтные, барабанные и вибрационные сушилки - установки с подвижным слоем зерна. В этих установках скорость движения теплоносителя меньше скорости движения материала, подлежащего сушке.
В сушилках с «кипящим» слоем скорость движения теплоносителя меньше или равна скорости движения зерна, а в установках с сушкой зерна во взвешенном состоянии она намного выше и изменяется (в зависимости от размеров частиц) от 10 до 30 т/с.
По принципу работы сушилки делят на периодического и непрерывного действия. В первом случае зерно загружают в рабочую камеру, высушивают без перемещения зерна и по достижении -требуемой влажности выгружают. Они бывают с продольным расположением (коридорного типа) и с поперечным расположением камер (секционно-блочного типа). Во втором случае зерно непрерывно перемещается от места загрузки к месту его выпуска.
По конструктивному исполнению различают стационарные и передвижные сушилки.
По технологической схеме зерносушилки могут быть прямоточные и рециркуляционные. В первых сушилках зерно проходит через сушильную камеру один раз. Во вторых имеется устройство для возврата части просушенного зерна и смешивания его со свежим зерном, поступающим на сушку.
К конвективным способам сушки относится и активное вентилирование, заключающееся в продувании атмосферным воздухом объекта сушки.
Интенсифицировать процесс сушки можно путём подогрева наружного воздуха на 10...12°С, однако его температура не должна превышать 30…35оС, так как это приводит пересушиванию нижних слоёв или увеличению удельной подачи воздуха. Для подогрева воздуха целесообразно использовать солнечную энергию.