Зерно у киплячому шарі

Сушіння є основною технологічною операцією із надання зерну стійкого для зберігання стану. Є багато конструкцій сушарок, які нібито в цілому й задовольняють поставлені до них вимоги, але водночас не зовсім досконалі. В таких установках, зазвичай, нагрівання зерна нерівномірне, процес сушіння надто затяжний і, в результаті, спостерігаємо погіршення не лише насіннєвих властивостей продукту, а й навіть поживних.

Дуже перспективним напрямом сушіння зернових є конструкції сушарок із «киплячим» шаром зерна, такі як «Україна-1», «МИГ-25», тощо. Суть цього способу сушіння полягає в тому, що вихідний матеріал на розподілювальній решітці за допомогою потоків газу приводиться у псевдозріджений стан. Параметри швидкості газового потоку крізь решітку підбирають таким чином, щоб матеріал на решітці перебував у завислому «киплячому» стані. У стані «кипіння» кожна насінина «омивається» потоком гарячих газів, що забезпечує надійний контакт зернової маси з тепловим агентом.

У сушарках із «киплячим» насіннєвим шаром досягається значна інтенсивність сушіння й створюється можливість регулювання часу перебування матеріалу на решітці. Характерною особливістю сушіння зерна в псевдозрідженому зерновому шарі є інтенсивний теплообмін між агентом сушіння та зерном. Зі збільшенням температури теплового агента швид­кість сушіння зерна різко зростає. Так, за збільшення її від 60 до 140°С швидкість сушіння зростає в 2,5 раза, а час прогрівання зерна скорочується вчетверо. Сушіння зерна в псевдозрідженому зерновому шарі забезпечує рівномірне його нагрівання за максимального використання температури агента сушіння. Збільшення експозиції сушіння зерна в псевдозрідженому шарі призводить до перегрівання зерна. Таким чином, сушіння зерна в псевдозрідженому зерновому шарі є найінтенсивнішим, але його промислове використання ускладнене через відсутність надійних робочих органів для виконання технологічних процесів.

При Центрально-українському національному технічному університеті на кафедрі сільськогосподарського машинобудування розроблена експериментальна зерносушильна установка (ЗСУ) касетного типу для сушіння зернових у так званому «киплячому» шарі.

Сушарка, що працює за принципом «киплячого» шару зернової маси, — це, власне, вертикальна шахта, що розділена за висотою горизонтальною решіткою на дві камери: нижню і верхню. Через нижню камеру, до якої примикає топка, обладнана вентилятором, у сушарку подають гарячі гази. Верхня камера обладнана завантажувальним і розвантажувальним пристроями. Повітря для забезпечення горіння й пониження температури сушильного агента подається в топку двома повітропроводами. Частково відпрацьовані гази подають у камеру змішування. Вологе зерно надходить у сушарку за допомогою живильника. Воно потрапляє на решітку в сушильній камері, через яку проходять гарячі гази — тобто сушильний агент, що засмоктується з топки димосмоком.

Зерно самопливом по решітці надходить від точки завантаження до розвантажувального пристрою сушарки. У процесі проходження димових газів крізь киплячий шар зерна з нього випаровується волога. Підсушене зерно спеціальним лотком виводиться із сушарки, а дрібні частинки виносяться з шару зерна сушильним агентом і відокремлюються від нього в повітряному циклоні. Відпрацьовані гази разом із випареною вологою після проходження через систему пиловловлення викидаються в атмосферу.

Досліди, проведені на новій моделі ЗСУ, показали, що така модель зерносушарки має низку переваг порівняно з аналогами:

процес теплообміну між теплоносієм і зерновою масою проходить інтенсивніше завдяки збільшенню геометричної площі дотику між агентом і матеріалом;

рівномірніше нагрівання зерна по всьому об’єму, що дуже важливо для сушіння термолабільних продуктів;

можливість обробки сирого, неочищеного зерна, що практично може замінити один із етапів потокової лінії — сепарацію;

простота й компактність конструкції дає можливість використовувати її мобільно;

створюються сприятливі умови для автоматизації (контроль, регулювання, управління).

Автоматизація контролю й управління процесами обробки та зберігання зерна відкриває широкі можливості для підвищення ефективності застосування й збільшення продуктивності потокових ліній, подальшого зниження затрат праці й покращення якості обробки зерна.

Одним із головних чинників впливу на зниження значення вологості матеріалу в зерносушарці з «киплячим» шаром (ЗКШ) є висота такого шару. За надто малої висоти матеріалу на каскаді відбувається його пересушування, а за надто великої — навпаки, недосушування. Отже, є параметри висоти шару матеріалу, за якої ефективність сушіння максимально наближена до потенційно можливої для заданого матеріалу та його початкової вологості.

До недоліків зерносушарки з «киплячим» шаром слід віднести неможливість дотримання стабільної висоти шару зерна, а відповідно — й ефективності сушіння. Причина такого явища пов’язана, з одного боку, з випадковими коливаннями кількості зерна у псевдозрідженому шарі, а з другого — з недоліками системи автоматичної стабілізації його висоти.

Випадкові коливання кількості зерна виникають унаслідок дії цілої низки збурень, визначальними серед яких є зміна роз­міру часток матеріалу, зміна вологості часток під час сушіння, співударяння зернин та турбулентність потоку теплоносія.

Недоліки системи автоматичної стабілізації висоти «киплячого» шару пов’язані зі складністю ЗКШ як багатовимірного об’єкта керування, який функціонує в умовах неідеального виміру регульованих величин та дії багатовимірних випадкових збурень.

Тому й було вирішено виконувати дослідження, спрямовані на максимізацію точності стабілізації висоти «киплячого» шару в умовах дії випадкових збурень та завад, що є складним та актуальним науково-прикладним завданням, успішне виконання якого дасть змогу підвищити ефективність сільськогосподарського виробництва України. Насамперед потрібно було досягти максимізації точності стабілізації висоти псевдозрідженого шару насіння у ЗКШ експериментально- аналітичним методом. У процесі вирішення цього цільового завдання було сформульовано та виконано ряд часткових, таких як:

декомпозиція зерносушарки з «киплячим» шаром (відпо­відно до кількості каскадів-решіт у камері сушіння);

ідентифікація моделей динаміки сигналів, які діють на входах і виходах каскадів зерносушарки (у вигляді спектральних щільностей сигналів);

ідентифікація динаміки зерносушарки та збурень, які діють на каскадах (у вигляді матриць спектральних та взаємноспректральних щільностей);

синтез системи оцінювання висоти «киплячого» шару за параметрами вологості матеріалу на виході сушарки;

компенсація запізнень (розрахована математична модель випереджувача Сміта, включення якого фізично компенсує наявні запізнення);

синтез оптимальної багатовимірної системи стабілізації;

аналіз якості системи стабілізації висоти «киплячого» шару.

Дослідження виконували на базі Кіровоградського комбікормового заводу.

Дослід проводили таким чином: через шар зернистого матеріалу заввишки h=5–6 см (соняшник, пшениця, соя), розміщеного на решітках (каскадах із діаметром отвору 1–2 мм), пропускали з певною швидкістю (Vа=2 м/с) нагрітий агент сушіння (tап=60°С). Матеріал спочатку розущільнювався, а потім перейшов у стан, що нагадував киплячу рідину. В процесі безперервного подавання зернового матеріалу до камери сушіння положення шибера було змінено від нейтрального на 10%, що призвело до зміни вологості зерна кожної проби, яку відбирали через кожні 30 с.

Основними параметрами контролю стали: температура агента сушіння; кінцева температура матеріалу; тиск теплоносія в камері сушіння; кінцева вологість зерна; час перебування зернового матеріалу в сушильній камері. Температура агента і зерна була виміряна скляним рідинним термометром і становила 60°С і 35°С відповідно.

Контроль тиску теплоносія виконували за допомогою U-подібного рідинного манометра, значення якого становило 0,5 Па. Після півгодинного відлежування, що є невід’ємним етапом будь-якого методу сушіння, цифровим вологоміром типу Wille-55 виміряли значення кінцевої вологи матеріалу, що на 1% відрізнялось від початкового. Це досить хороший показник, адже за такий малий проміжок часу (4 хв — час перебування зерна в зоні сушіння) матеріал втратив близько 1% надлишкової вологи.

У цій статті описані результати експерименту із сушінням соняшнику, шар якого розміщувався на решітках (каскадах), крізь який пропускали теплоносій, середня температура якого коливалась у межах 100–130 °С, а швидкість теплоносія була зафіксована на позначці 1,5 м/с.

У результаті цього шар збільшувався в об’ємі й набував стану «кипіння». Завдяки такій рухливості насіння соняшнику починало переміщуватись із каскаду на каскад, нагадуючи плин в’язкої рідини. В процесі безперервного подавання вологого насіння до камери сушіння (початкова вологість насіння соняшнику, що потрапляє до камери попереднього прогріву, становить 20%; там втрачається близько 3% вологи) положення шибера змінювалось кожні 15 с у діапазоні ±1 см відносно середнього значення. Одночасно з цією зміною були виміряні температура теплоносія під нижнім каскадом, висота шару матеріалу на кожному з каскадів у камері сушіння й відібрані проби насіння на виході із ЗКШ. Контроль температури теплоносія виконували мікропроцесорним 8-канальним приладом «ОВЕН» типу УКТ38-У з датчиками ТСМ-1038, висоти (h) «киплячого» шару на кожному з каскадів — мірною ліній­кою (для наочності), а вологість (w) кожної з проб — мікропроцесорним експрес-вологоміром Wile-55.

Аналіз отриманих даних показав, що існує взаємозв’язок між висотою матеріалу на каскаді і кінцевою вологістю зерна на виході із сушарки. Саме ця закономірність була покладена в основу розробки спостерігача — пристрою, який за значенням вологості ідентифікує значення висоти «киплячого» шару на будь-якому каскаді в конкретний момент часу з допустимою похибкою. Подальші дослідження були виконані вже на основі такої системи спостереження, що стала частиною оптимального регулятора, розрахованого за відповідною методикою. У системі автоматичної стабілізації висоти «киплячого» шару вихідна координата — вологість (вимірювали потоковим вологоміром «Фауна-П»), а зміну положення шибера — вхідну координату — датчиком положення з однооборотним механізмом МЕО).

Якщо проаналізувати отримані графіки, то розкид показників зміни вологості на виході із сушарки зменшився вп’ятеро, так само як і стабілізувалась висота «киплячого шару».

Це є ще одним підтвердженням підвищення ефективності сушіння в зерносушарці з «киплячим» шаром, висота якого змінюється мінімально відносно заданого значення.

М. Федотова, канд. техн. наук, асистент кафедри «Автоматизація виробничих процесів», Центрально-український національний технічний університет

Журнал «Пропозиція», №12, 2018 р.