Теоретический материал

1. Классификация способов сушки зерна и семян
В основу классификации способов сушки положены способы передачи теплоты зерну, т. к. интенсивность процессов тепло и влагообмена в основном обусловлена перепадом парциальных давлений водяных паров за счет перепада температуры сушильной среды и температур зерна, а следовательно, за счет подвода теплоты к зерну.Процесс удаления из зерновой массы влаги, ведущий к ее обезвоживанию и повышению содержания сухой массы, а также к снижению ее физиологической активности, получил название сушки зерна и семян. Удалить влагу из зерна можно различными способами: механическим путем – отжимом в центрифуге (при мойке зерна на мелькомбинатах) или смешиванием зерна с веществами, быстро поглощающими воду – сорбентами. Но сорбционная сушка зерна занимает много времени, она малоэффективна, при ее использовании влажность зерна снижается на небольшую величину. Основным, широко применяемым в практике работы с зерном способом сушки служит метод удаления влаги при ее испарении за счет подвода извне энергии, идущей на преодоление силы связи влаги с сухим веществом зерна, а также на теплоту парообразования. Сушку с использованием тепла называют тепловой. В зависимости от способа подвода тепла к зерну для испарения влаги сушка получила название конвективной, кондуктивной и терморадиационной. При сушке к о н д у к т и в н ы м способом теплота к зерну передается от нагретой поверхности, а водяной пар, выделяемый при этом способе сушки, поглощается пропускаемым через сушильную камеру воздухом, выполняющим в данном случае функцию только влагопоглотителя. Кондуктивный способ сушки имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что зерна, находящиеся в нижней части слоя зерна и непосредственно соприкасающиеся с горячей поверхностью, интенсивно нагреваются, а затем перегреваются. Зерно, находящееся на поверхности слоя, нагревается слабо и медленно просушивается. В практике зерносушения этот способ мало используется. Наибольшее применение получила конвективная сушка. При таком способе сушки теплота к зерну передается от нагретого воздуха или агента сушки, представляющего смесь воздуха с продуктами сгорания топлива. Агент сушки здесь выполняет функции и теплоносителя, и влагопоглотителя. Небольшие партии семенного зерна можно сушить терморадиационным способом, или, как его еще называют, воздушно солнечным. Это старейший и дешевый способ сушки. Зерно здесь получает теплоту от солнечной энергии. При таком способе сушки ускоряются процессы послеуборочного дозревания свежеубранного зерна. Ее проводят в сухую, ясную погоду, позволяющую за один день снизить влажность зерна на 3–4 %. Этим способом зерно сушат, рассыпая на площадках слоем 10–13 см (просо – 7–8 см), оно обдувается ветерком, нагревается солнечными лучами и сохнет. Недостатками этого способа сушки является то, что ее можно проводить только в сухую теплую погоду, имеет высокую трудоемкость, а также значительную продолжительность и низкую эффективность процесса сушки. Преимущество конвективного способа сушки зерна заключается в том, что агент сушки служит не только для подвода и передачи тепла зерну, но и одновременно для поглощения испаряющейся из него влаги. Достоинством передачи тепла конвекцией является то, что конвективная сушка возможна как в неподвижном зерновом слое, так и в подвижном, пересыпающемся, «кипящем», во время его падения и находящемся во взвешенном состоянии. При сушке зерна в неподвижном зерновом слое для равномерного его просушивания агент сушки в камерных сушилках поочередно продувают то снизу, то сверху. Сушка зерна в пересыпающемся слое в шахтных сушилках осуществляется в слое толщиной 10–20 см при его движении по шахте вниз под действием сил гравитации. Для сушки зерна в «кипящем» слое необходимо продувать агент сушки через слой зерна, помещенного на сетку с отверстиями меньше размеров зерна. В «кипящем» слое зерно хорошо перемешивается и быстро нагревается, однако конструктивные особенности таких сушилок – необходимость в больших площадях сеток, а сами сушилки слишком громоздки. Зерновой слой в таких сушилках продувается неравномерно, что ведет к его перегреванию на отдельных участках и в целом к снижению качества зерна. Вследствие этого конвективная сушка зерна в разрыхленном или «кипящем» слое практического применения пока не нашла и используется только в специальных устройствах для быстрого предварительного нагрева сырого зерна перед сушкой. С целью повышения эффективности сушки используют конвективный способ передачи тепла зерну, находящемуся во взвешенном состоянии. Взвешенное состояние зерна создается восходящим потоком агента сушки при значительном превышении (в 2–2,5 раза) скорости витания. У находящегося во взвешенном состоянии зерна сушка проходит более равномерно, т. к. вся его суммарная поверхность участвует в процессах тепло– и влагообмена с агентом сушки. И, наконец, рассмотрим самый совершенный способ сушки зерна – рециркуляционный. В этом случае высокую эффективность дает сушка зерна во взвешенном состоянии при рециркуляции части зерна. Принципиальная схема такой сушки заключается в интенсивном кратковременном нагреве зерна и частичной его подсушке при свободном падении в виде дождя встречным потоком теплоносителя. При этом идет контактный массообмен между подсушенным и сухим зерном, происходит промежуточное охлаждение нагретого зерна в плотном малоподвижном слое и рециркуляция части зерна. Зерно при таком способе сушки находится под воздействием агента сушки с очень высокой температурой, достигающей 300 °C, но время его пребывания в таком состоянии ограничено 2–3 с. За это мгновение вновь загруженное зерно нагревается до температуры 40–50 °C при потере поверхностной влаги за счет испарения из всей массы, подвергнутой сушке зерна, 0,5–1,0 %. Технологическую схему рециркуляционного способа сушки можно представить следующим образом). Поступившее на сушку сырое зерно смешивается с уже просушенным зерном, и смесь сухого и сырого зерна направляется в зону нагрева, где нагревается до предельно допустимой температуры. Затем нагретая смесь поступает в зону контактного тепловлагообмена, где выдерживается в течение некоторого времени для выравнивания температуры, и происходит перераспределение влаги между влажным зерном, поступившим на сушку, и рециркулирующим просушенным зерном. Из зоны контактного тепловлагообмена зерно поступает в зону сушки, где из него испаряется влага. Большая часть просушенного зерна возвращается на рециркуляцию, для этого смешивают сухое зерно с сырым и направляют в зону нагрева, а оставшуюся меньшую часть просушенного зерна после охлаждения выпускают из сушилки. Рециркуляционный способ сушки может осуществляться несколькими вариантами. При одном из таких вариантов рециркулирующие зерна периодически нагреваются и охлаждаются, поэтому такой процесс сушки называют рециркуляционно осцил лирующим. При другом варианте в зону сушки поступает агент сушки с температурой, которая превышает температуру зерна на 20–40 °C. Происходит интенсивное испарение влаги с расходом части теплоты. От этого температура в начальный период сушки снижается на 10–15 °C. Но постепенно температура зерна повышается и на выходе из зоны сушки достигает значения предельно допустимой. Из за равенства температуры зерна в начале и в конце сушки этот процесс условно называют рециркуляционно изотермическим. При этом варианте скорость сушки зерна выше, и она более эффективна. Здесь зерно за один цикл сушки отдает больше влаги, а значит, и сокращена кратность рециркуляции зерна. Интенсивность рециркуляционной сушки повышают и путем предварительного нагрева сырого зерна перед смешиванием его с рециркулирующим. При сушке семян подсолнечника такой кратковременный предварительный подогрев до температуры инактивации ферментов и микроорганизмов позволяет повысить их стойкость при хранении и улучшить качество масла, вырабатываемого из высушенных семян. Обычно конвективный и кондуктивный способы сушки зерна в практике зерносушения применяют совместно. Зерно в барабанных сушилках нагревается кондуктивно на полках барабана и конвективно при падении зерна с полок барабана. В шахтных зерносушилках тепло передается зерну в большем количестве конвективно от агента сушки и в меньшем кондуктивно от нагретой поверхности коробов. В рециркуляционных зерносушилках большая часть тепла в камере нагрева передается зерну конвективно и только небольшое количество тепла – кондуктивно от рециркулирующего зерна.
2. Динамика процесса сушки зерна
В процессе сушки зерна происходит 2 тепло физических явления – перенос тепла от агента сушки к зерну и передача от него влаги к агенту сушки, т. е. вначале происходит передача тепла от агента сушки поверхности зерна, затем последовательное перемещение тепла от поверхности зерна в его глубинные слои, при этом идет интенсивное испарение влаги с поверхности зерна и передача ее агенту сушки, уносящему влагу в атмосферу. Процесс сушки характеризуется скоростью, зависящей от первоначальной влажности и физико биохимических свойств зерна, а также от температуры и скорости движения агента сушки при прохождении через зерновой слой. Скорость сушки зерна выражается количеством влаги, испарившейся в единицу времени, кг/мин, или снижением за этот же период времени влажности зерна, в процентах к массе его сухого вещества. Теоретический ход процесса сушки зерна можно представить графически, если условно принять, что до сушки влага в зерне была равномерно распределена во всех его анатомических частях и тонким слоем покрывала поверхность зерновки, а агент сушки имел на протяжении всего процесса постоянные параметры: температуру, относительную влажность и скорость движения. Как видим из графика процесс сушки включает три периода.

Первый период – на графике сушки его характеризуют точки А и В. Это начальный период, сопровождающийся относительно быстрым нарастанием температуры зерна (А В’’), но зерно при этом нагревается незначительно, т. к. в этот период тепло расходуется главным образом на образование пара. Испаряемая с поверхности влага замещается влагой, притекающей к поверхности по капиллярам из внутренних частей зерна. Агент сушки сильно охлаждается и происходит интенсивное насыщение влагой. По времени этот период непродолжителен.

Второй период обозначен на графике точками В и С, характеризуется постоянной скоростью сушки, периодом влагоотдачи. Испарение влаги с поверхности зерна сопровождается прогреванием его внутренней части. Постепенно скорость испарения влаги замедляется, воздух из сушилки по сравнению с первым периодом сушки выходит менее насыщенный влагой. На зерновке появляются небольшие участки, лишенные свободной воды, вследствие того, что в этих местах влага испаряется быстрее, чем осуществляется ее приток из внутренних частей зерновки. Скорость сушки начинает зависеть от интенсивности диффузии влаги из центра зерновки.

Третий период – период убывающей скорости сушки, обозначен на графике точками С и Д. Он характерен тем, что поверхность зерна становится сухой, из зерна удалена капиллярная влага, повышается его температура (C’’ D’’), резко падает интенсивность испарения (C’ D’), доходя постепенно до нуля. Воздух из сушилки уходит с малым насыщением влаги. В практике зерносушения сушку до третьего периода не доводят, т. к. нецелесообразно снижать влажность зерна ниже равновесного состояния. Высушенное зерно постепенно охлаждают, и влажность его несколько повышается в результате поглощения влаги из воздуха до равновесного состояния.
3.Режимы сушки зерна и семян
Под режимом сушки зерна и семян понимают совокупность основных параметров технологического процесса, сочетание которых обуславливает интенсивность тепло– и влагообмена, обеспечивает снижение влажности сырого зерна и сохранение его качества. Основными параметрами сушки являются: температура, влажность и скорость агента сушки; температура, влажность, назначение и вид зерна; продолжительность сушки.

Главный параметр сушки – температура агента сушки. Именно она, в первую очередь, определяет интенсивность нагрева зерна и скорость испарения влаги. Интенсификация процесса сушки наблюдается при высокой температуре и низкой относительной влажности подаваемого в сушильную камеру агента сушки. Однако высокие значения температуры ограничены необходимостью сохранения качества зерна, подвергаемого сушке. Другим, не менее важным параметром сушки является первоначальная влажность зерна. Она оказывает существенное влияние на выбор температурных режимов сушки. В значительной степени предельно допустимая температура нагрева зерна зависит от начальной его влажности. С повышением влажности зерна снижается его термоустойчивость, и сушку в этом случае ведут при более низких температурах.

Контрольные вопросы:

1. Как зависит влажность заготовляемого зерна от гидротермического коэффициента?

2. Охарактеризуйте формы влаги в зерне.

3. Что представляет собой зерно как объект сушки?

4. От чего зависит термоустойчивость зерна и семян?

5. Дайте классификацию способов сушки зерна.

6. Какой способ сушки получил наибольшее применение?

7. Какова схема рециркуляционного способа сушки?

8. Какие периоды выделяются в процессе сушки зерна?

9. Дайте общую характеристику основных типов зерносушилок.

10. Опишите работу прямоточных шахтных сушилок.

11. Какие недостатки присущи прямоточным шахтным зерносушилкам?