Сушіння насіння кукурудзи із зниженням енерговитрат

Кукурудза належить до пізньостиглих культур, тому збирають її з підвищеною вологістю зерна. Навіть в умовах істотного потепління клімату, як це спостерігається останнім часом, цей показник під час збирання кукурудзи значно перевищує допустиму норму. У зв’язку з цим зібране зерно підлягає обов’язковому сушінню і якнайскорішому доведенню до оптимального, тобто безпечного, стану вологості.

М. Кирпа, д-р с.-г. наук,
Інститут сільського господарства
степової зони НААН,
Дніпропетровськ

Для сушіння насіннєвої кукурудзи застосовують спеціальні сушарки із порівняно високими витратами палива й електроенергії. Типова кукурудзосушарка складається із двох рядів сушильних камер, між якими розташовано розподільчий коридор для подавання агента сушіння в окремі камери, заповнені качанами. Висота насипу качанів досить значна і досягає 2,5–3 м, тому в процесі сушіння напрямок продування камер періодично змінюють задля рівномірного підсихання різних шарів насипу. Агентом сушіння слугує суміш продуктів згоряння палива із повітрям або ж чисте повітря, нагріте у теплообміннику. Для отримання агента сушіння потрібно нагріти за одну годину до 150–200 тис. м3 повітря залежно від об’єму і вологості завантажених качанів.
У зв’язку з відміченими техніко-технологічними особливостями, сушіння насіння кукурудзи в камерних сушарках відповідно до інструкції потребує значних енерговитрат. За вимогами інструкції регламент сушіння є таким: температурний режим на рівні 35…50°С, залежно від вологості зерна: послідовне включення камер у роботу; безциклічний графік сушіння; реверсування, тобто зміна напрямку продування камер.

З метою енергозбереження було розроблено і запропоновано різні техніко-технологічні способи сушіння, залежно від яких змінюється рівень і структура енерговитрат. До таких способів слід віднести:
  двостадійне сушіння качанів із досушуванням зернової маси;
  імпульсний режим сушіння із чергуванням нагрівання й охолодження;
  сушіння за максимально допустимої температури.
До прийомів, які побічно сприяють зниженню енерговитрат, можна віднести ще й герметизацію сушарок, збільшене завантаження їхніх камер. Однак не всі способи, які спрямовані на енергозаощадження, забезпечують водночас основну техніко-технологічну умову сушіння — збереження високої якості насіння.
Проблема енергозбереження в процесі сушіння кукурудзи останнім часом посилюється у зв’язку з постійним зростанням вартості всіх видів енергоресурсів: палива дизельного, скрапленого і газоподібного, електроенергії. Проблема посилюється ще й тим, що виробництво насіння кукурудзи поступово зміщується у північну частину України — зони Лісостепу і Полісся, де складаються кращі гідротемпературні умови вирощування, але все одно зерно збирають надто вологим і воно потребує обов’язкового сушіння. Тому важливо було провести дослідження, розробити і встановити способи сушіння кукурудзи, які б знижували витрату теплової енергії і водночас забезпечували високу якість насіння. Враховуючи науково-практичну важливість поставленого завдання, у цій статті наведено результати як наукових досліджень, так і практичні висновки та рекомендації.

Попереднє прогрівання грунтується на використанні підвищеної температури агента сушіння у початковий період, оскільки зерно, що міститься в качані, в цей час ще нагрівається повільно. Дослідами встановлено, що прогрівання за температури 50°С упродовж 6 год скорочує час сушіння на 7 год, збільшує швидкість вологовіддачі зерном на 10,9%, підвищує продуктивність сушарки на 22,5% порівняно із контролем — застосуванням типової технології у звичайному режимі (табл. 1).
Також виявлено, що за прогрівання температура качанів у насипу не перевищувала 39°С, а нагрівання зерна — 35°С. Тому якість насіння зберігалась — показники його лабораторної і польової схожості, а також урожайності були рівнозначні звичайному режиму сушіння за типовою технологією. Як показали досліди, найефективнішим виявилось прогрівання у сушарках із невеликою кількістю камер або коли паливно-вентиляційне відділення обслуговує дві-чотири, у крайньому разі шість камер. Це забезпечує прогрівання качанів й одночасне їхнє підсушування за застосування оптимальних теплових режимів залежно від показника вологості зерна.

   У сушарках зі збільшеним числом камер попереднє прогрівання качанів можна застосовувати лише  за циклічного графіка роботи, коли завантажують і включають у роботу одночасно всі камери. Після прогрівання сушарку з усіма камерами переводять на роботу в оптимальному тепловому режимі. Циклічний графік найефективніший у разі відносно невеликих обсягів сушіння, а також сушіння качанів з однорідною вологістю зерна.
Дещо іншим варіантом прогрівання є підсушування качанів, накопичених у бункерах тимчасового зберігання. У такому разі створюється єдина система бункер — сушарка, яка діє постійно у міру сушіння в камерах і відповідно до їхнього завантаження нагрітими качанами з бункера. Прогрівання качанів у бункері здійснювали у дослідах за допомогою відпрацьованого теплоносія, який надходив із сушарки і мав температуру 30…40°С, відносну вологість 28–70%. Маса качанів, які містились у бункері, становила 150 т. Установлено, що після 30 год нагрівання і підсушування вологість зерна знижувалась на 3–6%, стрижнів — на 2–4% залежно від шару насипу качанів у бункері.
Попереднє прогрівання качанів у системі бункер — сушарка позитивно впливало на техніко-економічні показники роботи сушарки: на 11 год скорочувалась тривалість висушування кукурудзи, на 11,2% підвищувалась продуктивність сушильних камер за збереження високої якості насіння. Однак було виявлено і технічні складнощі здійснення такого прийому, а саме: він потребував капітального переобладнання бункера, проведення його герметизації і з’єднання із сушаркою. Крім того, у зв’язку із нерівномірним підсиханням качанів ускладнювалось їхнє вивантаження із бункера і досушування до рівномірної вологості у сушарці.
З огляду на це результати дослідження способу сушіння качанів кукурудзи у системі бункер — сушарка мають інформативний характер та можуть слугувати передумовою подальших розробок, спрямованих на енергозбереження.
Техніко-економічні показники кукурудзосушарки залежать також від схеми продування чи включення в роботу сушильних камер. Для камерних кукурудзосушарок рекомендують застосування послідовної схеми, за якої агент сушіння спочатку надходить у першу групу камер, де сушіння закінчується, і з неї — до другої групи камер, де качани перебувають у початковій фазі сушіння. Вважають, що за застосування такої схеми агент сушіння максимально зволожується і відпрацьовується, тому його тепловий потенціал використовується найефективніше.
Однак на практиці одержують інше:
  знижується сушильна здатність агента сушіння;
  зменшується швидкість вологовіддачі зерна в другій групі камер;
  зростає в цілому аеродинамічний опір у повітряній мережі;
  збільшується загальна тривалість сушіння.
Крім того, за послідовної схеми дуже важко витримувати її основну умову — забезпечити ритмічну роботу камер, а також оптимальне співвідношення між різними їхніми групами.
Тому для поліпшення умов продування досліджували паралельну схему подавання агента сушіння, за якої він надходив у всі камери водночас у режимах знизу-вгору або згори-вниз. Встановлено поліпшення техніко-економічних показників, зокрема посилювалась фільтрація агента сушіння у насипу качанів, підвищувалась швидкість їхнього сушіння, унаслідок чого продуктивність камери збільшувалась на 14,8% порівняно із схемою послідовного продування (табл. 2). Внаслідок паралельного включення камер також поліпшувалась якість насіння, а саме його схожість і сила росту.
Основною умовою безпечного сушіння насіння кукурудзи є створення оптимального температурного режиму в камерах сушарки. Особливо важливе значення має температура нагрівання зернівки в качані, яка залежить від його термостійкості. Тому режим сушіння, рекомендований для камерних сушарок і унормований інструкцією, було теоретично встановлено, виходячи, насамперед, із статичної і динамічної характеристик термостійкості качанів кукурудзи.
Однак аналіз показує, що умови теоретичного розрахунку не завжди відповідають особливостям сушіння качанів на практиці:
  по-перше, прийнята для розрахунків температурна різниця в 4°С між агентом сушіння і зерном має значні відхилення;
  по-друге, параметри сушіння (вологість і нагрівання зерна, швидкість фільтрації агента) у різних місцях насипу качанів також неоднакові;
  по-третє, термостійкість залежить ще від сортових властивостей певних форм кукурудзи. Тому температурний режим має враховувати не тільки теоретичні закономірності розподілення тепла висушуваною масою, а й практичні особливості об’єкта сушіння: фізико-механічні, гігроскопічні, ботанічно-біологічні властивості насіння, а також техніко-експлуатаційні показники сушарки.

   Виходячи з цього, досліджували елементи диференційованого сушіння, які включали поступово наростаючий і ступінчастий температурний режими. Суть наростаючого режиму полягає в тому, що швидкість підвищення температури відповідає швидкості зниження вологості зерна. Такі умови сушіння забезпечують енергозбереження і високу якість насіння, однак потребують постійного контролю за температурою і вологістю зерна за допомогою дистанційної термовологометрії.
За ступінчастого режиму температуру агента сушіння встановлюють залежно від вологості зерна качанів у крайніх шарах насипу — верхньому чи нижньому — залежно від того, куди надходить агент. Температуру змінюють щоразу за зниження вологості зерна на 5–6%, резерв збільшення температури становить 5…12°С.
Дослідження показали, що за допомогою диференційованих режимів можна підвищити середню температуру сушіння на 2…3°С, не погіршуючи при цьому якості насіння. Завдяки цьому продуктивність сушарки підвищується на 18–20% і більше порівняно із застосуванням типових постійних режимів, рекомендованих для камерних кукурудзосушарок.
Для оптимізації температурних режимів винятково важливе значення має максимально допустима температура агента сушіння, яка значним чином залежить від частоти його реверсування, тобто зміни напрямку руху в камерах. Дослідження показали, що температуру агента сушіння в камерних кукурудзосушарках можна підвищити до 50…55°С, але за умови реверсування (зміни напрямку продування сушильних камер) через 30 хв (табл. 3).
Виявлено, що застосування інтенсивних теплових режимів, які включали максимально допустиму температуру та часте реверсування, збільшувало середню швидкість сушіння насіння кукурудзи на 20–27%, продуктивність сушильної камери — на 15–21%, а також забезпечувало високі посівні і врожайні властивості насіння порівняно з типовим режимом сушіння згідно з інструкцією. Однак слід відмітити, що режим інтенсифікації можна застосовувати лише для насіння гібридів кукурудзи (виключаючи їхні батьківські форми), оскільки вони теплостійкіші, за збиральної вологості зерна до 30–32%.

   Суттєвим резервом зниження енергоспоживання є також рециркуляція відпрацьованого агента, тобто його повторне повернення у зону сушіння. Обсяги повернення можуть бути як повними, так і частковими залежно від вологості качанів у камерах. Для здійснення рециркуляції сушарку слід оснастити системою каналів для руху робочого і відпрацьованого агента сушіння. У наших дослідах найефективнішою виявилась двоканальна система із перекидним клапаном, яка давала змогу як повертати відпрацьований агент, так і змінювати напрямок продування. Режим рециркуляції вивчали за різних графіків роботи сушарки: циклічного — із зупинкою на завантаження та вивантаження усіх камер і безциклічного — у режимі постійної роботи.
Встановлено, що за циклічної роботи впродовж перших 20–30 год сушіння відпрацьований агент активно зволожується (його відносна вологість становила 75–100%), його температура становить 15…30°С за температурного показника на початку подавання 40…45°С. Після перебігу зазначеного часу відносна вологість знижувалась до 40–60%, температура підвищувалась до 30…35°С, тому його можна було вже використовувати для рециркуляції.
У разі безциклічної роботи кожне включення камери змінювало показники відпрацьованого агента сушіння: його температура знижувалась на 5…8°С, відносна вологість підвищувалась на 12–18% залежно від стану качанів у камерах. Цей період був тимчасовим і тривав 5–8 год, після чого відпрацьований агент сушіння мав такі значення: відносна вологість становила 50–58%, температура — 31…33°С, — після чого він був придатним для рециркуляції.
Режим рециркуляції було випробувано в процесі роботи багатокамерної сушарки СКПМ-18, у паливному відділенні якої використовували газоподібне паливо. Вологість зерна гібридів кукурудзи, а також їхніх батьківських форм становила 30–35%, контролем слугував режим сушіння із вільним виходом відпрацьованого теплоносія. Об’єм відпрацьованого агента сушіння, який повертали на рециркуляцію, перебував у межах 30–70% залежно від вологості зерна.
Сушіння в режимі рециркуляції суттєво зменшувало споживання енергоматеріалів (табл. 4).
Наприклад, витрати палива знижувались на 26%, електроенергії — на 5% порівняно з контрольним режимом сушіння. Повторне використання відпрацьованого агента сушіння не погіршувало якості насіння — його схожість і врожайність залишались на високому рівні.
Зниження витрат палива за сушіння з рециркуляцією досягалось завдяки використанню в паливно-вентиляційному відділенні сушарки підігрітого повітря — відпрацьованого агента сушіння, поверненого до сушарки за допомогою системи каналів. Вимірювання показало, що шляхом рециркуляції температура газоповітряної суміші підвищувалась на 5…12°С, що сприяло зменшенню об’єму подавання палива у форсунку топки.