Спецвозможности
Технологии

Зерно в кипящем слое

15.01.2020
2340
Зерно в кипящем слое фото, иллюстрация
Сушка является основной технологической операцией по предоставлению зерну устойчивого для хранения состояния. Есть много конструкций сушилок, которые якобы в целом и удовлетворяют поставленные к ним требования, но в то же время не совсем совершенны. В таких установках, как правило, нагрев зерна неравномерный, процесс сушки слишком затяжной и, в результате, наблюдаем ухудшение не только семенных свойств продукта, но даже питательных.
 

Очень перспективным направлением сушки зерновых являются конструкции сушилок с «кипящим» слоем зерна, такие как «Украина-1», «МИГ-25» и др. Суть этого способа сушки заключается в том, что исходный материал на распределительной решетке с помощью потоков газа приводится в псевдосжиженное состояние. Параметры скорости газового потока через решетку подбирают таким образом, чтобы материал на решетке находился во взвешенном «кипящем» состоянии. В состоянии «кипения» каждая семя «омывается» потоком горячих газов, что обеспечивает надежный контакт зерновой массы с тепловым агентом.

В сушилках с «кипящим» семенным слоем достигается значительная интенсивность сушки и создается возможность регулирования времени пребывания материала на решетке. Характерной особенностью сушки зерна в псевдосжиженном зерновом слое является интенсивный теплообмен между агентом сушки и зерном. С увеличением температуры теплового агента скорость сушки зерна резко возрастает. Так, при увеличении ее с 60 до 140°С скорость сушки возрастает в 2,5 раза, а время прогрева зерна сокращается в четыре раза. Сушка зерна в псевдосжиженном зерновом слое обеспечивает равномерный его нагрев при максимальном использовании температуры агента сушки. Увеличение экспозиции сушки зерна в псевдосжиженном слое приводит к перегреву зерна. Таким образом, сушка зерна в псевдосжиженном зерновом слое является интенсивной, но его промышленное использование затруднено из-за отсутствия надежных рабочих органов для выполнения технологических процессов.
 
При Центрально-украинском национальном техническом университете на кафедре сельскохозяйственного машиностроения разработана экспериментальная зерносушильная установка (ЗСУ) кассетного типа для сушки зерновых в так называемом «кипящем» слое.

Зерносушарка Alvan Blanch

Сушилка, работающая по принципу «кипящего» слоя зерновой массы, - это, собственно, вертикальная шахта, которая разделена по высоте горизонтальной решеткой на две камеры: нижнюю и верхнюю. Через нижнюю камеру, к которой примыкает топка, оборудованная вентилятором, в сушилку подают горячие газы. Верхняя камера оборудована загрузочным и разгрузочным устройствами. Воздух для обеспечения горения и понижения температуры сушильного агента подается в топку двумя воздуховодами. Частично отработанные газы подают в камеру смешивания. Влажное зерно поступает в сушилку с помощью питателя. Оно попадает на решетку в сушильной камере, через которую проходят горячие газы - то есть сушильный агент, который засасывается из топки дымососов.

Зерно самотеком по решетке поступает от точки загрузки до разгрузочного устройства сушилки. В процессе прохождения дымовых газов через кипящий слой зерна из него испаряется влага. Подсушенное зерно специальным лотком выводится из сушилки, а мелкие частицы выносятся из слоя зерна сушильным агентом и отделяются от него в воздушном циклоне. Отработанные газы вместе с выпаренной влагой после прохождения через систему пылеулавливания выбрасываются в атмосферу.

Зерносушарка конвеєрного типу «МИГ»

Опыты, проведенные на новой модели ЗСУ, показали, что такая модель зерносушилки имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогами:
 
процесс теплообмена между теплоносителем и зерновой массой проходит интенсивнее благодаря увеличению геометрической площади соприкосновения между агентом и материалом;
 
равномернее нагрев зерна по всему объему, что очень важно для сушки термолабильных продуктов;
 
возможность обработки сырого, неочищенного зерна, что практически может заменить один из этапов поточной линии - сепарацию;
 
простота и компактность конструкции дает возможность использовать ее мобильно;
 
создаются благоприятные условия для автоматизации (контроль, регулирование, управление).

Датчик положення Хола (положення шибера)

Автоматизация контроля и управления процессами обработки и хранения зерна открывает широкие возможности для повышения эффективности применения и увеличения производительности поточных линий, дальнейшего снижения затрат труда и улучшения качества обработки зерна.
 
Одним из главных факторов влияния на снижение значения влажности материала в зерносушилке с «кипящим» слоем (ЗКС) является высота такого слоя. При слишком малой высоте материала на каскаде происходит его пересушивание, а при слишком большой - наоборот, недосушивание. Итак, есть параметры высоты слоя материала, при которой эффективность сушки максимально приближена к потенциально возможной для данного материала и его начальной влажности.

Однооборотний механізм МЕО

К недостаткам зерносушилки с «кипящим» слоем следует отнести невозможность соблюдения стабильной высоты слоя зерна, а соответственно - и эффективности сушки. Причина такого явления связана, с одной стороны, со случайными колебаниями количества зерна в псевдосжиженном слое, а с другой - с недостатками системы автоматической стабилизации его высоты.
 
Случайные колебания количества зерна возникают вследствие действия целого ряда возмущений, определяющими среди которых являются изменение размера долей материала, изменение влажности частиц во время сушки, соударения зерен и турбулентность потока теплоносителя.
 
Недостатки системы автоматической стабилизации высоты «кипящего» слоя связаны со сложностью ЗКС как многомерного объекта управления, функционирующего в условиях неидеального измерения регулируемых величин и действия многомерных случайных возмущений.

Заслінка Шибера

Поэтому и было решено проводить исследования, направленные на максимизацию точности стабилизации высоты «кипящего» слоя в условиях действия случайных возмущений и помех, что является сложной и актуальной научно-прикладной задачей, успешное выполнение которой позволит повысить эффективность сельскохозяйственного производства Украины. Прежде всего нужно было достичь максимизации точности стабилизации высоты псевдосжиженного слоя семян в ЗКС экспериментально-аналитическим методом. В процессе решения этого целевого задания был сформулирован и выполнен ряд частных, таких как:
 
декомпозиция зерносушилки с «кипящим» слоем (согласно количеству каскадов-решет в камере сушки);
 
идентификация моделей динамики сигналов, действующих на входах и выходах каскадов зерносушилки (в виде спектральных плотностей сигналов);
 
идентификация динамики зерносушилки и возмущений, действующих на каскадах (в виде матриц спектральных и взаимноспректральных плотностей);
 
синтез системы оценки высоты «кипящего» слоя по параметрам влажности материала на выходе сушилки;
 
компенсация опозданий (рассчитана математическая модель опередителя Смита, включение которого физически компенсирует имеющиеся опоздания);

синтез оптимальной многомерной системы стабилизации;

анализ качества системы стабилизации высоты «кипящего» слоя.
 
Исследования проводили на базе Кировоградского комбикормового завода.

Опыт проводили следующим образом: через слой зернистого материала высотой h=5-6 см (подсолнечник, пшеница, соя), размещенного на решетках (каскадах с диаметром отверстия 1-2 мм), пропускали с определенной скоростью (Vа = 2 м/с) нагретый агент сушки (tап = 60°С). Материал сначала разуплотнялся, а затем перешел в состояние, напоминающее кипящую жидкость. В процессе непрерывной подачи зернового материала в камеру сушки положение шибера было изменено от нейтрального на 10%, что привело к изменению влажности зерна каждой пробы, которую отбирали через каждые 30 с.
 
Основными параметрами контроля стали: температура агента сушки; конечная температура материала; давление теплоносителя в камере сушки; конечная влажность зерна; время пребывания зернового материала в сушильной камере. Температура агента и зерна была измерена стеклянным жидкостным термометром и составила 60 ° С и 35°С соответственно.

Контроль давления теплоносителя выполняли с помощью U-образного жидкостного манометра, значение которого составило 0,5 Па. После получасового отлеживания, что является неотъемлемым этапом любого метода сушки, цифровым влагомером типа Wille-55 измерили значение конечной влажности материала, которое на 1% отличалось от исходного. Это достаточно хороший показатель, ведь за столь малый промежуток времени (4 мин - время пребывания зерна в зоне сушки) материал потерял около 1% избыточной влаги.

В этой статье описаны результаты эксперимента с сушкой подсолнечника, слой которого размещался на решетках (каскадах), через который пропускали теплоноситель, средняя температура которого колебалась в пределах 100-130°С, а скорость теплоносителя была зафиксирована на отметке 1,5 м/с.
 
В результате этого слой увеличивался в объеме и приобретал состояние «кипения». Благодаря такой подвижности семена подсолнечника начинали перемещаться с каскада на каскад, напоминая течение вязкой жидкости. В процессе непрерывной подачи влажных семян в камеру сушки (начальная влажность семян подсолнечника, который попадает в камеру предварительного прогрева, составляет 20%, там теряется около 3% влаги) положение шибера менялось каждые 15 с в диапазоне ± 1 см относительно среднего значения. Одновременно с этим изменением были измерены температура теплоносителя под нижним каскадом, высота слоя материала на каждом из каскадов в камере сушки и отобраны пробы семян на выходе из ЗКШ. Контроль температуры теплоносителя выполняли микропроцессорным 8-канальным прибором «ОВЕН» типа УКТ38-В с датчиками ТСМ-1038, высоты (h) «кипящего» слоя на каждом из каскадов - мерной линейкой (для наглядности), а влажность (w) каждой из проб - микропроцессорным экспресс-влагомером Wile-55.
 
Анализ полученных данных показал, что существует взаимосвязь между высотой материала на каскаде и конечной влажностью зерна на выходе из сушилки. Именно эта закономерность была положена в основу разработки наблюдателя - устройства, которое по значению влажности идентифицирует значение высоты «кипящего» слоя на любом каскаде в конкретный момент времени с допустимой погрешностью. Дальнейшие исследования были выполнены уже на основе такой системы наблюдения, которая стала частью оптимального регулятора, рассчитанного по соответствующей методике. В системе автоматической стабилизации высоты «кипящего» слоя исходная координата - влажность (измеряли поточным влагомером «Фауна-П»), а изменение положения шибера - входную координату - датчиком положения с однооборотным механизмом МЕО).
 
Если проанализировать полученные графики, то разброс показателей изменения влажности на выходе из сушилки уменьшился в пять раз, так же, как и стабилизировалась высота «кипящего слоя».
 
Это является еще одним подтверждением повышения эффективности сушки в зерносушилке с «кипящим» слоем, высота которого меняется минимально относительно заданного значения.

 

М. Федотова, канд. техн. наук, ассистент кафедры «Автоматизация производственных процессов», Центрально-украинский национальный технический университет

Журнал «Пропозиція», №12, 2018 р.

Експрес-вологомір Wile-55 (Фінляндія)8-канальний регулятор температури «Овен»Перетворювачі темпетуриПроточковий вологомір «Фауна-П»

Интервью
Теплица
Современная жизнь диктует необходимость ИТ- модернизации отечественных агропредприятий, однако пока что новейшими технологиями владеет лишь десятая часть предприятий.  
Роберто Хавельяна
Американское издание Future Farming взяло интервью у Роберто Хавельяны - сотрудника отдела компании John Deere, который занимается перспективными разработками мощных тракторов (серий 7R, 8R и 9R) на ближайшие 20 лет. Представляем его... Подробнее

1
0