Енергоощадне сушіння
Вологість та температура збіжжя, що надходить із поля для сушіння, можуть змінюватись від 15 до 35% абсолютної вологості та від 0 до 30oС внаслідок зміни погодних умов або у разі надходження зерна з іншого поля. Оператор сушарки повинен керувати процесом сушіння таким чином, аби отримати продукт із кондиційною вологістю попри коливання початкової вологості зернової маси.
Вологість та температура збіжжя, що надходить із поля для сушіння, можуть змінюватись від 15 до 35% абсолютної вологості та від 0 до 30oС внаслідок зміни погодних умов або у разі надходження зерна з іншого поля. Оператор сушарки повинен керувати процесом сушіння таким чином, аби отримати продукт із кондиційною вологістю попри коливання початкової вологості зернової маси.
М. Липунов, ст. наук. співробітник, ННЦ «ІМЕСГ»,
О. Мельник, директор, М. Негольшов, енергетик,
ТОВ «Міжгосподарський комбікормовий завод»
Важливість оперативної інформації про процес
зневоднення
Наявність інформації про початкову вологість зерна дає змогу правильно організувати процес, визначити відповідні значення експозиції сушіння та теплового режиму зерна.
У процесі роботи сушарок контроль вологості зерна проводить лаборант шляхом періодичного відбирання проб зерна на виході із сушарки та вимірювання їхньої вологості термогравіметричним методом із похибкою 0,3% або електронним експрес-вологоміром із похибкою 1,5–2%.
Тривалість вимірювання вологості термогравіметричним методом становить десятки хвилин та не дає змоги оперативно реагувати на зміни параметрів технологічного процесу. І все ж, незважаючи на тривалість та трудомісткість вимірювання, термогравіметричні вологоміри залишаються основними засобами для контролю вологості зерна.
Запізнення надходження показників про поточну вологість збіжжя призводить або до пересушування зерна, зниження продуктивності сушарки та перевитрат палива, або до отримання некондиційного сирого продукту. Неоднорідність зерна за вологістю може стати причиною його гніздового самозігрівання у зерносховищах. Тому з метою запобігання надходженню зерна некондиційної вологості (понад 15%) у бункер готової продукції його, як правило, пересушують, знижуючи цей показник на 1,5–3%.
У разі зменшення вологості 1 т зерна на 1% витрати природного газу шахтною зерносушаркою типу ДСП становлять 1,5–2 м3. Саме на цій стадії витрачається до 80% усієї енергії, якої потребує післязбиральна обробка зерна, а корисні витрати енергії у самих зерносушарках становлять 40–50%.
Початкові показники вологості і температури, температура нагрівання, експозиція сушіння зерна та температура сушильного агента — взаємопов’язані технологічні параметри, які в комплексі впливають на якість готового продукту. Для ефективного управління експозицією зневоднення зерна необхідна оперативна інформація про вологість зерна на вході в сиру шахту, на виході з неї та на виході з сухої шахти.
Експлуатація шахтних
зерносушарок
Для сушіння зерна в Україні використовують вітчизняні шахтні зерносушарки типу ДСП-12, ДСП-24, ДСП-32, СЗС-8, ЗСП-8, ДСП-25, А1-ДСП-50.
Наявні засоби механізації, електрифікації та автоматизації технологічного процесу сушіння зерна забезпечують автоматичне завантаження сирого зерна в надсушильний бункер, автоматичну роботу топки та вентиляційного обладнання, автоматичне управління температурними режимами у сушильній та охолоджувальній камерах і програмний режим роботи механізму випуску просушеного зерна. У шахтних зерносушарках використовують промислові регулятори температури. Вони управляють витратами палива у топці залежно від температурного режиму для стабілізації температури зерна у зоні сушіння.
Опишемо перебіг процесу сушіння зерна. Зерно завантажують у сушильну шахту, запускають теплогенератор, подається теплоносій у зону сушіння, перепускний клапан встановлюють у положення, що зумовить повертання зерна у надсушильний бункер. Цей цикл триває, допоки вологість зерна на виході із сушарки не перевищуватиме кондиційного значення (14%). Після цього перепускний клапан встановлюють у положення на спрямування зерна до бункера — накопичувача готової продукції. Якщо ж вологість просушеного зерна відхиляється від заданого значення, змінюють пропускну спроможність зерносушарки. Кондиційне за вологістю зерно направляють до бункера готової продукції, а недосушене — повертають у приймальний бункер сушарки для подальшого сушіння.
Водночас не завжди враховують особливості цих сушарок щодо роботи із відповідними зерном і теплоносіями, залежність від зарубіжних періодичного та поточного фірмового обслуговування і недостатню економічну обгрунтованість такої заміни.
Особливості імпортних зерносушарок
Сучасні імпортні зерносушарки обладнані комп’ютером зі зручним операційним інтерфейсом, принтером та вологоміром зерна у потоці, але оператори сушарок ними практично не користуються через непередбачувані зміни похибки вологоміра. Причиною цього є дрейф характеристик датчика вологості, який обумовлений різними неконтрольованими факторами: адсорбуванням і міграцією вологи у мікропорах та мікротріщинах складових приладу, його деформуванням та зміною геометричних розмірів під впливом механічних, температурних градієнтів або технологічних навантажень.
Фірми-виробники прагнуть забезпечити свої вироби високими метрологічними показниками для збільшення обсягів збуту. Досягти бажаної точності вимірювань вологості вдається лише за умови ідеалізації матеріалу в обмеженому діапазоні вимірювань. У реальних умовах експлуатації похибки закордонних вологомірів удвічі, а іноді й більше перевищують значення, що вказані фірмами-виробниками. До того ж висока ціна робить їх недоступними для більшості вітчизняних користувачів. Цікавим фактом є те, що закордонних вологомірів зерна у потоці на ринку немає, проте пропонується широкий спектр експрес-вологомірів. Спроби пристосування їх до потреб технологічних процесів сушіння зерна виявили їхню неспроможність адекватно реагувати на зміни режимних параметрів сушарок. До того ж результати таких вимірів часто залежать від оператора.
Факторів, що впливають на точність показників вологомірів, багато. Зернова маса в цілому і кожна зернівка зокрема являють собою багатокомпонентну, багатофазну, гетерогенну біологічну систему, властивості якої значною мірою визначаються характером структури та формою зв’язку води з кожним із компонентів системи. Склад цих компонентів у зерні непередбачувано змінюється. Разом з тим, кожен компонент впливає на властивості об’єкта вимірювання, і ступінь цього впливу залежить не тільки від співвідношення таких компонентів, а й від загальної вологості біологічної системи. На поточні властивості рухомого потоку збіжжя впливають також змінна щільність укладання та конкретний вид розподілення маси зерна у зоні чутливості датчика вологості під час вимірювання. Це перешкоджає застосуванню таких технічних засобів у системах автоматичного контролю та керування процесом сушіння зерна.
Різноманітність вологометрії
Для контролю вологості сипких середовищ використовується широкий спектр технічних засобів, принцип дії яких побудовано на використанні різних методів. Усі методи вимірювань поділяють на прямі і непрямі. За прямих вимірювань вологості матеріал, що досліджується, розподіляють на суху фракцію та воду, вимірюють їхню масу і розраховують вологість за формулою:
де W — вологість; Мв — маса вологи у зразку; Мз — загальна маса вологого матеріалу.
Завдяки високій точності (відносна похибка не перевищує 2–3%) ці методи широко використовують як зразкові та робочі лабораторні засоби вимірювання вологості. Але водночас вони нетехнологічні, бо потребують значної тривалості часу (від декількох хвилин до годин) для розподілення проби на суху фракцію та воду. Тому прямі методи непридатні для експрес-контролю вологості у технологічних процесах.
Непрямі методи грунтуються на прямих вимірюваннях фізичних величин, які функціонально пов’язані із вологістю матеріалу: теплоємності, теплопровідності, електропровідності, діелектричної проникливості, уповільнювальної здатності середовища для анізотропного потоку нейтронів, швидкості ультразвуку, прозорості та відбивної спроможності середовища для інфрачервоного опромінення, поглинання радіохвильової енергії зразком за звичайного електромагнітного опромінення та за ядерного магнітного резонансу (ЯМР).
Найпоширенішими є термогравіметричні (зважування та висушування), кондуктометричні (залежність опору постійного електричного струму від вологості), діелькометричні (залежність ємності електричного конденсатора від вологості міжелектродного простору) вологоміри, а також вологоміри надвисокої частоти (затухання електромагнітної хвилі у вологому середовищі), ЯМР (ядерний магнітний резонанс протонів водню молекул води), інфрачервоні (зміна кольору вологого зерна в інфрачервоному спектрі), нейтронні (гальмування потоку нейтронів на ядрах водню).
Процес вимірювання вологості непрямими методами грунтується на впливі на середовище, що контролюється, певною енергією та на вимірюванні наслідків цього впливу. За впливу на середовище електромагнітною енергією відбувається зворушення електричних зарядів речовини, на що витрачається певна кількість електромагнітної енергії, яка залежить від діелектричної проникності середовища. Вода складається із полярних молекул з властивостями дипольної поляризації і має діелектричну проникність понад 80 відносних одиниць (в. о.). Сухе зерно, в основному, складається із неполярних молекул та має величину діелектричної проникності у межах 2–6 в. о. Співвідношення кількості води та сухої речовини визначає загальну величину діелектричної проникності матеріалу. Таким чином, електромагнітний тип взаємодії є інформативним, оперативним та технологічним для вологометрії у технологічних процесах.
Принцип роботи та склад системи автоматичного контролю вологості зерна у шахтній сушарці
Найбільшу чутливість вимірювального перетворювача вологості зерна дає метод поглинання вологим зерном радіохвильового випромінювання. Комплект технічних засобів для автоматичного контролю вологості зерна, який розроблено у ННЦ «ІМЕСГ», складається із датчика вологості зерна, периферійного мікропроцесорного контролера із джерелом живлення, периферійного інтерфейсу цифрового сигналу з гальванічним розв’язанням, кабелю зв’язку, щитового інтерфейсу із гальванічним розв’язанням сигналу, робочої станції збирання та обробки даних.
Контроль за вологістю зерна проводять за допомогою первинного вимірювального перетворювача вологості, у якому використовується ефект затухання електромагнітної енергії у вологому середовищі. Чутливий елемент взаємодіє із середовищем, що контролюється, шляхом зондування електромагнітним полем. Затухання електромагнітної енергії в середовищі залежить від його діелектричної проникності, яка визначається кількістю води в об’ємі, що зондується, та формою зв’язку молекул води із
сухою речовиною.
Первинний вимірювальний перетворювач призначений для генерування електромагнітної енергії та перетворення параметра затухання енергії в інформаційний аналоговий сигнал (фото). Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) виробляє цифровий сигнал із безперервного сигналу. Цифровий сигнал опрацьовується у периферійному мікропроцесорному контролері та відображається на дисплеї. Пульт керування призначений для реалізації сервісних режимів роботи технічних засобів. Модуль спряження забезпечує інтерфейс зв’язку периферійного приладу з робочою станцією комплекту технічних засобів автоматичного контролю вологості зерна у шахтній сушарці.
Датчик вологості розміщується у шахті сушарки у потоці зерна, наприклад на виході із камери охолодження. Периферійний мікропроцесорний контролер із джерелом живлення та периферійним інтерфейсом розміщені зовні шахти, щитовий інтерфейс із обчислювальними засобами — у шафі керування сушаркою, він з’єднується з периферійним обладнанням за допомогою лінії цифрового зв’язку.
Стан зерна зумовлює затухання електромагнітної енергії навколо чутливого елемента первинного вимірювального перетворювача. Величина такого затухання функціонально залежить від вологості та температури зернової маси. Первинний вимірювальний перетворювач перетворює сигнал затухання електромагнітної енергії в аналоговий електричний сигнал, на основі якого на виході датчика вологості формується цифровий код. Кабелем зв’язку цифровий код передається на вхід периферійного мікропроцесорного контролера, де він опрацьовується та фільтрується
від перешкод.
Робоча станція забезпечує графічний інтерфейс з оператором та формування протоколу отриманої інформації. Сформований протокол автоматично зберігається на цифровому носії інформації. Протокол вміщує дату та час початку запису, інтервал між вимірюваннями у секундах, кількість вимірювань та безпосередньо показник кожного вимірювання.
Кожен протокол має ідентифікаційний номер, за яким графічний інтерфейс відображає інформацію на терміналі в осях: час — абсцис, вологість — ординат. Дискретність формування графіка вологості зерна становить 0,1%, температури зерна — 0,5°С. Приклад протоколу трендів вологості і температури під час сушіння зерна кукурудзи у зерносушарці типу КС-8, яка працює на соломі, подано на рисунку. Періоди завантаження котла соломою відображено у протоколі характерними провалами температури та уповільненням швидкості сушіння зерна.
Параметри системи
Система автоматичного контролю вологості зерна в шахтних сушарках дає змогу безперервно отримувати інформацію про вологість зерна безпосередньо в технологічному процесі сушіння. Це забезпечує під час вимірювання вологості зерна в потоці ефективний перехід від використання автоматичного приладу вимірювання вологості до автоматизованої системи такого контролю на основі цього приладу. Сутність методу контролю полягає у доповненні безперервних вимірювань, отриманих від вологоміра, результатами спеціально організованих, виконуваних працівниками лабораторії зернопереробного підприємства, точних (реперних) вимірювань вологості зерна на основі методу висушування. Об’єднувальним елементом такої автоматизованої системи є алгоритм адаптації математичної моделі каналу вимірювання, побудований на методі використання реперних точок та інтегрований в автоматизоване робоче місце оператора зерносушарки.
Практичні випробування
Лабораторні дослідження та виробничі випробування системи показали, що абсолютна похибка не перевищує 0,5%. Діапазон контролю вологості зерна — від 5 до 30%. Відхилення базової лінії не перевищує 0,2% абсолютної вологості. Похибка в даних системи контролю вологості зерна в потоці не перевищує 0,5% абсолютної вологості. Швидкість дії системи — чотири вимірювання за хвилину. Технічні параметри системи контролю вологості зерна наведено в таблиці.
Система експлуатується із 2008 р. у ТОВ «Міжгосподарський комбікормовий завод» (м. Миргород) на шахтній зерносушарці типу А1-ДСП-50. Під час роботи системи проводили також контрольні заміри проб зерна термогравіметричним методом. Середня різниця між показами експериментального зразка становила 0,3, а максимальна — 0,8%.
Система контролю вологості зерна призначена для використання разом із серійними шахтними сушарками типу ДСП і відповідає умовам експлуатації останніх. Режим роботи системи контролю безперервний — 24 год на добу. Технічне обслуговування можна проводити упродовж години на місці розміщення обладнання без демонтажу. Періодичність технічного обслуговування — щоразу під час заміни зернової культури у сушарці. Монтаж обладнання проводять за проектом, розробленим безпосередньо для кожного випадку у разі такої потреби (кількість і місце розташування датчиків вологості і температури, кількість і місця розташування периферійних контролерів та робочих станцій). Вартість одного датчика вологості — 10 тис. грн.