Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Элеваторы, склады, зерносушилки. Учебное пособие
.pdf
Принимая во внимание, что температура и влажность меняются в течение суток,
оценку возможности вентилирования зерна проводят каждые 6 ч при стабильной погоде и
каждые 3 ч при неблагоприятных ее изменениях.
Для охлаждения зерна, теплообмена между зерном и воздухом необходимо, чтобы
температура воздуха была на 5 - 10 °С меньше температуры зерна (второе условие).
Охлаждение зерна доводят до 10 - 0 °С. При этом микробиологические процессы, в
зерновой массе затормаживаются, а вредители впадают в анабиоз. Для обработки
зараженного зерна, уничтожения клещей и других насекомых возможно промораживание
зерна до - 15 °С. Однако низкие минусовые температуры могут оказать отрицательное
влияние на семена зерновых культур.
Количество тепла, которое должно быть отведено в процессе вентилирования,
определим как
Q
= c3m(tи – tk)
c
- удельная теплоемкость зерна, ккал/кг °С (выбирается или рассчитывается в
де c
3
зависимости от температуры и влажности зерна, при ω = 20 % можно принять 0,5 ккал/кг °С;
tи, tк - исходная и конечная температура зерна, °С.
Очевидно это количество тепла должно быть равно тому количеству, которое
поглощено воздухом:
Qn = cвV(tп – tк),
где с
удельная теплоемкость воздуха, св = 0,3 ккал/м3 °С; V - количество воздуха, м³.
в -
Поскольку Q0 = Qп, то имеем, что для охлаждения m = 1000 кг необходимо следующее
количество воздуха:
Учитывая возможность утечки воздуха и необходимость более длительного
вентилирования застойных зон хранилища, принимают V = 2000 м3/т (в США эту величину
принимают равной 864 весной и 1440 зимой).
Продолжительность цикла вентилирования определяют как
T = V/q,
где q - удельная подача воздуха, для профилактической обработки принимается 30 - 50
м3/чт, для охлаждения после сушки - 50 - 80 м3/чт, для временной консервации свежего зерна
- более 100 м3/чт, для ликвидации самосогревания - 200 м3/чт и более. При повышенной
влажности принимается большее значение q. Эта формула дает лишь оценочные значения.
Важнейшей способностью вентилирования является то, что охлаждение происходит
не сразу по всей высоте, а послойно. Зона охлаждения зерна (слой зерна примерно 0,5 м)
71
движется снизу вверх (рис. 73). Полное прохождение зоны охлаждения через зерновую массу
называют циклом. Нельзя прекращать работу вентилятора пока цикл не прекратится. Для
того, чтобы установить местонахождение зоны охлаждения, следует измерить температуру в
различных слоях хранилища. Температура перед зоной будет на 9 - 12 °С отличаться от
температуры за зоной. Когда все зерно имеет одинаковую температуру, это означает, что
цикл завершен (или пока не прекратится запах плесени). Предельная высота вентилируемого
зерна представлена на рис. 74.
Обычно суммарное время вентилирования (только ночью) – 20 - 30 ч. Действительно,
если известны расход воздуха одного вентилятора V1 число вентиляторов n , масса зерна на
складе М, то подача будет q = V1n/M, после чего и определяют
Рис. 73. Схема формирования зоны охлаждения и ее перемещения: 1 - каналы
подвода воздуха; 2 - зона охлаждения; 3 - направление движения воздуха
Рис. 74. Предельная высота вентилируемого слоя зерна
Техника для вентилирования зерна
Существуют следующие типы установок для вентилирования зерна: стационарные,
передвижные, напольно-переносные, аэрожелоба, вентилируемые бункера.
Любая установка для вентилирования зерна состоит из вентилятора,
воздухораспределительной системы и соединяющего их диффузора.
Воздухораспределительные системы могут быть в виде труб с отверстиями для
выхода воздуха, надземного или заглубленного канала и боковых распределительных
каналов (рис. 75).
Рис. 75. Воздухораспределительные системы 1 - ложный пол; 2 - подземный
канал; 3, 4 - напольно-переносные, передвижные каналы
Наиболее распространены стационарные установки для активного вентилирования
зерна в типовых складах с горизонтальными полами СВУ - 1, СВУ - 2, СВУ - 63 (рис. 76). Из
напольно-переносных чаще применяются ПВЧ - 1, ТВУ - 2. Существуют установки для
72
складов с наклонными полами.
Принципиальные схемы установок для вентилирования зерна в силосах показаны на
рис. 77. Установки обеспечивают продольное (а) или поперечное (б, в) продувание зерновой
насыпи в силосах. Для охлаждения зерна в силосах используют установки, аналогичные
представленным на рис. 77. Передвижные холодильные машины ХМВ – 1 - 30, КLА - 40/2
используют для охлаждения зерна в складах, а машины КLА - 40/7, КLА - 50/7 - для
охлаждения зерна на элеваторах.
Рис. 76. Схема установки для вентилирования зерна в складах: а – СВУ - 1, б –
СВУ - 2, в – ТВУ – 2
Рис. 77. Схемы установок для вентилирования зерна в силосах
3.2. Основы теории сушки зерна
Сушка - основной технологический процесс по приведению зерна в стойкое
состояние. Устойчивость зерновой массы с влажностью меньше критической
обусловливается тем, что дыхание зерна сводится до минимального уровня, оставшаяся
влага столь прочно связана с сухим веществом зерном, что становится недоступной
микроорганизмам и большинству вредителей.
Сушка - процесс обезвоживания.
Существует несколько способов обезвоживания:
- механический (прессование, отжим, центрифугирование),
- контактный (контакт влажного зерна с более сухим, гигроскопичным),
- конвекционный (нагревание теплым воздухом),
- кондукционный (нагревание при контакте с горячей поверхностью),
- радиационный (солнечные лучи, микроволновые нагреватели)?
- вакуумный (уменьшение давления воздуха, окружающего влажное зерно).
Процесс сушки начинают с нарушения связи влаги с материалом. Наименее
энергоемкий - механический способ. При этом удаляют влагу, находящуюся в капельном
виде на поверхности зерна, т. е. слабо связанную с сухим веществом.
Тепловая сушка более энергоемка поскольку предусматривает превращение воды в
пар и отвод образовавшегося пара за пределы зерна. Но и в этом случае не все связи воды
разрушаются. Вследствие сложной структуры органического вещества зерна точно
73
установить характер и природу отдельных сил связи в них не представляется возможным.
.
m
m
u
с
в
=
,
m
m
d
с
п
=
Принято связи влаги группировать в три основные формы:
химическая - ионная молекулярная (валентная) связь. Нарушать ее
нагреванием до точки кипения не удается, да и при 0 °С вода не замерзает;
физико-химическая - удержание молекул полем сухого вещества, нахождение
воды в составе растворов;
физико-механическая - связь воды в капиллярах, связь смачивания.
Две последние формы связи влаги нарушаются нагреванием воды, последующим
тепловым потоком водяной пар удаляется из зерна.
При анализе процесса сушки рассматривают статику и кинетику сушки.
Статика сушки оценка параметров, характеризующих высушиваемый материал и
агент сушки, в их исходном состоянии, одномоментно.
Кинетика сушки оценка изменения параметров сушильного процесса во времени.
Статика сушки
В исходном (начальном состоянии) имеем влажное зерно как предмет сушки и воздух
как агент сушки.
Для, характеристики состояния используют параметры: температуру, влажность,
влагосодержание, теплосодержание.
Влажность зерна ω, %, определяют как
где mв - масса влаги в зерне, кг; mс - масса сухого вещества, кг.
Количество влаги определяют взвешиванием пробы зерна до и после высушивания в
специальном шкафу при температуре 90 °С. Продолжительность высушивания - до тех пор,
пока масса пробы не станет постоянной.
Влагосодержание зерна u, кг/кг, (более удобный показатель для тепловых расчетов)
определяю по формуле:
Влагосодержание воздуха d, кг/кг, определяют аналогично:
где mп – масса водяного пара, кг; mc – масса сухого воздуха, мс = 1 кг.
74
Очевидно, что влагосодержание не насыщенного до предела воздуха не изменится при
нагревании этого воздуха, то есть d — const.
Относительная влажность воздуха φ, %, - отношение фактического количества
водяного пара в данном объеме к максимально возможному его количеству в этом объеме
при заданных давлении и температуре.
Воздух, насыщенный водяным паром до предела (при заданных р, t), имеет влажность
φ = 100 %, влагосодержание этого воздуха обозначают как dн. Такой воздух называют
насыщенным.
При влажности φ ≤ 100 % воздух имеет свободную влагоемкость, т. е. способен
насыщаться свободной влагой.
Равновесная влажность зерна
Давление (парциальное) паров воды в воздухе (рв), так же как и давление
(парциальное) паров воды у поверхности влажного зерна (р3), пропорциональны
соответственно влажности воздуха (φ), зерна (ω). Вполне очевидно, что при заданной
температуре можно подобрать такое соотношение ω и φ, чтобы давления паров были равны
р3 = рв. Такое соотношение называют равновесным, а влажности - равновесными.
Так как при влажности воздуха 70 %, температуре 20 °С равновесная влажность зерна
равна 14,3 %. В этом случае влажность зерна не изменится, однако, если влажность воздуха
уменьшится, то соотношение давлений паров будет р3 > рв, что вызовет движение паров воды
от зерна в воздух. Зерно начнет высушиваться. Величина равновесной влажности для
различных влажности воздуха и температуры определены. В качестве примера такие данные
приведены на рис. 72.
Основной принцип сушки состоит в сообщении зерну агентом сушки тепла на
парообразование воды. В качестве агента сушки используют чаще всего подогретый воздух.
Теплосодержание (энтальпию) I определяют по формуле:
I = Iсв + Iп = cCBt + (r0 + cnt)d,
где Iсв - энтальпия сухого воздуха, ккал/кг сух. воздуха; Iп - энтальпия водяного пара;
ссв - удельная теплоемкость сухого воздуха, ссв = 0,24 ккал/кг °С; сп - удельная теплоемкость
водяного пара, сп = 0,46 ккал/кг °С; r0 - удельная теплота парообразования воды, г0 = 597,3
ккал/кг; t - температура воздуха, °С; d - влагосодержание.
Все параметры влажного воздуха t, φ, d, I находится в определенной взаимосвязи,
которую представляют графически (рис. 78) и называют диаграммой состояния воздуха
(диаграмма Молье). Одна ордината диаграммы показывает теплосодержание, другая
75
ордината - влагосодержание, но ее для удобства пользования повернули на 45 град, от
1
2
2
1
m
m
l
l
=
исходного состояния так, что изотерма нулевой температуры располагается горизонтально.
Координатная сетка образована семейством прямых координат, параллельных осям . Линии
постоянного влагосодержания вертикальные, линии постоянного теплосодержания
наклонные (под углом 45 град, к первым).
Рис. 78. Диаграмма влажного воздуха
Линия постоянной относительной влажности разделяет диаграмму на две части: выше
этой линии - область ненасыщенного воздуха, ниже - область тумана (насыщенного воздуха).
На диаграмме обычно проводится вспомогательная линия для определения
парциального давления водяного пара в воздухе.
Примеры пользования диаграммой
1. Подвод теплоты к влажному воздуху с параметрами t1, φ1 в количестве ΔI.
Необходимо найти параметры его конечного состояния:
1) определяем точку 1 - исходное состояние воздуха (рис. 79, а); находим исходное
значение энтальпии I1 и влагосодержания d1;
2) рассчитываем конечное значение энтальпии I2 : Ι1 + ΔΙ = Ι2;
3) Точка 2 - конечное состояние воздуха будет в пересечении линии энтальпии I2 с
линией влагосодержания d1 (при нагревании d - const).
Рис. 79. Примеры использования диаграммы состояния воздуха
2. Смешивание двух потоков воздуха в количестве m1, m2 известны t1, d1, t2, d2.
Следует найти параметры воздуха после перемешивания:
1) определяем точки 1, 2 - исходное состояние потоков (рис. 79, б);
2) соединяем точки 1 и 2 линией;
3) точка 3 — конечное состояние воздуха, ее положение на отрезке 1 - 2 находим из
условия.
3. Подвод тепла, необходимого для испарения 1 кг воды. Исходное состояние воздуха
t1, d1, затем его нагревают до t2 на выходе из сушилки температура воздуха t3 (рис. 79, г).
76
Определить количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг воды:
13
12
dd
II
Q
−
−
=
1) определяем точку 1 исходное состояние и точку 2 нагретый воздух. Находим для
этих точек I
2) проводим линию энтальпии до пересечения с изотермой t
3) находим для точки 3 значение влагосодержания с d
1,I2
;
3
3
4) количество теплоты Q, которое необходимо для испарения 1 кг воды, рассчитываем
как
4. Активное вентилирование (рис. 79, в). Параметры исходного состояния t
температура воздуха после вентилирования t
(t2 < t1) Требуется определить количество
2
, φ1, d1,
1
влаги, поглощенное воздухом:
1) определяем точку 1 - исходное состояние;
2) через точку 1 проводим линию энтальпии до пересечения с изотермой (точка 2);
3) определяем температуру мокрого термометра на пересечении энтальпии с линией φ
= 100 % (точка 3). При сравнении примеров 3 и 4 можно заметить, что нагревание воздуха в
несколько раз интенсифицирует сушку;
4) находим влагосодержание воздуха d2;
5) рассчитываем количество влаги, поглощенное 1 кг сухого воздуха, m по формуле
m = d2 – d
1
5. Необходимо определить температуру мокрого термометра tм для воздуха с
параметрами t1, φ1:
1) определяем точку 1 - исходное состояние (рис. 79, в);
2) проводим через нее линию энтальпии до пересечения с линией φ = 100%;
3) проводим через точку пересечения линию изотермы. Температура этой изотермы tм.
Кинетика сушки
Процесс удаления влаги из зерна можно пояснить на рис. 80. Происходящие при этом
изменения температуры, влагосодержания показаны на рис. 80, а. (графики получены
экспериментально при постоянной температуре воздуха и его влажности).
I период — начальный прогрев. Зерно нагревают до t = tм (температура мокрого
термометра). Влагосодержание медленно уменьшается, т. к. зерно еще не нагрелось.
Скорость сушки du/dt растет. Продолжительность первого периода – 10 - 15 % времени от
всего процесса сушки.
77
II период (основной) - интенсивное испарение. При достижении зерном температуры
мокрого термометра (при постоянных влажности и температуре воздуха) происходит
испарение по всей поверхности зерна с постоянной подпиткой жидкостью из капилляров.
Максимально возможное влагоотделение соответствует максимально возможному
влагопоглощению подводимого воздуха. Поскольку последнее стабильно, то и скорость
сушки постоянна.
Тепло, подводимое воздухом, расходуется только на поверхности зерна (большего не
требуется и лишнее уносится) и идет на испарение определенного количества воды, и
поэтому температура постоянная, равна tм.
Рис. 80. Кинетическая схема сушки
III период – окончание сушки. Зона испарения влаги с поверхности смещается во
внутрь зерна. Подпитка зоны испарения из глубины по капиллярам сокращается.
Для выпаривания жидкости в этой зоне требуется больше энергии, так как:
кроме энергии, необходимой для парообразования жидкости, следует
сообщить этому пару дополнительную энергию для того, чтобы Он смог проникнуть
(вырваться) через уже высушенный слой зерновки;
чтобы передать эту энергию во внутрь, необходимо сильнее нагреть
поверхность зерновок;
связь воды с сухой частью зерновки в глубине более прочная. Естественно, при
этом температура растет, скорость сушки снижается до нуля.
Сушка завершается, и воздух из сушилки будет выходить ненасыщенным.
Температура воздуха, выходящего из сушилки, выше температуры зерна до тех пор,
пока идет испарение влаги (зерно при этом охлаждается). При равенстве температур сушка
прекращается.
Зерно нагревается, его следует после сушки охлаждать.
3.3. Техника и технология сушки зерна
78
Типы сушилок
В конструкциях сушилок для зерна используют два основных способа сушки:
конвективный, конвективно-контактный;
конвективно-контактный.
Принято различать сушилки по следующим признакам:
1) по характеру входящего (выходящего) потока зерна:
дискретные (периодичные);
непрерывные;
2) по состоянию зернового слоя:
плотные;
рыхлые;
псевдоожиженные (взвешенные);
3) по принципу работы:
прямоточные;
рециркуляционные;
4) по конструкции:
камерные;
шахтные;
барабанные;
5) по мобильности:
стационарные;
мобильные.
Кроме того, в процессе сушки зерно может перемещаться или находиться в
неподвижном состоянии.
Сушка неподвижного плотного слоя зерна
Самый простой способ, широко используемый в сельском хозяйстве, - сушка зерна в
неподвижном слое (рис. 81). Его осуществляют в камерных сушилках. Зерно просушивается
до сухого состояния за один прием, независимо от исходной влажности. Для сушки
нагнетают нагретый воздух в подпольное пространство, который под воздействием
избыточного давления проникает через решетчатые полы и затем через зерновую насыпь
вверх. При вентилировании зернового слоя сушка происходит вначале в зоне входа воздуха в
слой (рис. 82). Здесь воздух насыщается влагой и проходит далее через слой зерна, не
поглощая влагу. Спустя 10 - 15 ч в слое зерна можно различить три зоны: 1 - зона влажного
зерна, находящегося в равновесии с обогащенным влагой воздухом; 2 - зона сушки, в
которой зерно передает влагу воздуху; 3 - зона сухого зерна.
Целесообразно скорость воздуха поддерживать в пределах 0,1 - 0,2 м/с (при большей
скорости растет сопротивление движению воздуха, при малой - удлиняется процесс сушки).
79
Воздух насыщается влагой за 1 - 2 с, общее время прохождения метрового слоя составляет 5
- 10 с. Зона сушки небольшая по толщине - 0,1 - 0,4 м.
Рис. 81. Сушка зерна в неподвижном слое
В сравнении с активным вентилированием сушка зерна требует в десятки раз больших
энергозатрат. Для высушивания 1 τ зерна необходимо примерно 100000 м3 воздуха.
Учитывая, что сушка должна проходить быстротечно (около 2 сут.), для нее используют
специальные установки с удельным расходом воздуха 500 - 1500 м3/чт, что значительно
больше, чем расход воздуха в установках для активного вентилирования (30 - 200 м3/чт).
Рис. 82. Образование и продвижение зоны сушки в неподвижном слое зерна: 1 –
сырое зерно, 2 – зона сушки, 3 – сухое зерно
Таким образом, при использовании установки активного вентилирования для сушки
продолжительность высушивания будет значительной и верхний слой может заплесневеть.
Продолжительность сушки зерна можно выбрать на рис. 83.
Рис. 83. Примерная продолжительность сушки зерна при производительности q =
1500 м3/ч, толщине слоя 0,7 м, температуре агента 25 и 40 °С
Производительность сушки оценивают удельной производительностью q,
показывающей, какая масса зерна высушивается в 1 м3 сушилки за час. Так, при сушке зерна
массой m, кг, за время ∆t ~
50 ч в камере объемом не менее чем V = m/ρ (при ρ = 750 кг/м3),
получим удельную производительность камерной сушилки q:
Это низкая производительность.
Кроме этого, при сушке зерна в неподвижном слое возможно пересушивание нижнего
слоя. Поэтому сушку заканчивают, когда средняя влажность зерна достигает уровня 13 - 14
%, нижняя часть насыпи оказывается пересушенной, а верхняя - сырой. Затем зерно
охлаждают (вентилирует холодным воздухом) в течение 1,5 ч и выгружают
зернопогрузчиком (ЭПС - 60, ЗПС - 100 и т. п.). При этом зерно перемешивается и в течение
2 - 3 сут. влажность выравнивается.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]