Development of the mobile air-auger device for grain drying, cleaning and cooling

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В сельском хозяйстве сушка зерна — необходимый процесс для сохранения качества и предотвращения порчи зерна. Важность этого процесса заключается в том, что зерно, собранное с поля, имеет высокую влажность 20–30% [1], которая может привести к развитию грибков, бактерий и других микроорганизмов, являющихся причиной порчи урожая. Кроме того, хранение зерна с влажностью выше рекомендованных 14% приводит к уменьшению питательных свойств зерна.

Для обеспечения качественной и безопасной сушки зерна необходим правильный выбор сушилки и рациональное обоснование параметров процесса сушки. Сушилки для зерна — это специальные устройства, которые используются для ускорения процесса сушки зерна, путём удаления излишней влаги.

В литературных источниках рекомендуемая влажность зерна, закладываемого на хранение, составляет 13–15% (таблица 1).

 

Таблица 1. Сроки безопасного хранения зерна пшеницы при различных значениях влажности и температуры [2]

Table 1. Safe storage periods of wheat grain at various values of humidity and temperature [2]

Влажность зерна, %	Температура зерна, °С	Срок хранения, мес.
13,0−15, 5	10	12
до 14,5	20	12
14,5−15,5	20	10−11
13,0−13,9	30	3
14,0−14,5	30	2

 

В настоящее время стоит задача интенсифицировать процесс сушки зерна за счёт разработки новой конструкции сушилки и одновременной очистки зерна от сорных примесей.

АНАЛИЗ СПОСОБОВ СУШКИ И ТИПОВ КОНСТРУКЦИЙ СУШИЛОК

Существует несколько типов сушилок для зерна, которые могут различаться по принципу работы, мощности и размеру. В сельскохозяйственном производстве наиболее распространены барабанные и шахтные зерносушилки. Одним из типов сушилок являются мобильные сушилки. Сушилки данного типа обычно используются на месте сбора урожая, и могут быть легко перемещены с поля на поле в зависимости от необходимости. Они могут иметь различную мощность и размер, и обычно оснащены нагревателями, вентиляторами и другими компонентами для быстрой и эффективной сушки зерна. Мобильные зерносушилки используются в фермерских хозяйствах и других организациях АПК с мелкотоварным (до 1000 т зерна) и среднетоварным (до 3000 т зерна) производством [1, 3]. Это обусловлено сравнительно низкой ценой сушилки и меньшей производительностью по сравнению со стационарными аналогами.

После сбора урожая важно в короткие сроки провести не только сушку, но и очистку зерна от примесей [4]. Для очистки зерна от примесей применяют воздушно-шнековые сепараторы. Это специальное оборудование, которое используется для очистки зерна от различных примесей, таких как пыль, мелкие камни, солома, семена сорных растений и другие нежелательные элементы, которые могут находиться в массе зерна после уборки урожая. Данные сепараторы могут также использоваться для разделения зерна на разные категории по размеру, весу и плотности [5]. Принцип их работы основан на использовании воздушных потоков, которые перемещают и разделяют зерновой ворох. Зерно подается на шнек, который переносит его внутри корпуса, в то время как воздушный поток двигается навстречу зерновому потоку. Воздушный поток, воздействует с различной силой на зерно в зависимости от размера и веса частиц зернового вороха. Благодаря этому, зерно, отличающееся по аэродинамическим свойствам, отделяется от сорных примесей [6, 7].

Воздушно-шнековые сепараторы для зерна имеют различные размеры и мощность, что позволяет использовать их для разных типов зерна и объёмов уборки урожая. Они могут быть полуавтоматическими или полностью автоматическими, что облегчает процесс очистки и сортировки зерна и уменьшает затраты на трудовые ресурсы. Они также могут быть мобильными, что позволяет использовать их на месте сбора урожая. К главным преимуществам зерносушилок малой производительности можно отнести возможность обработки зерна практически любой исходной влажности, а также высокую равномерность сушки [8, 9].

Однако, в настоящее время должным образом не рассмотрен вопрос возможности проведения одновременного процесса очистки и сушки в воздушно-шнековом сепараторе.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

Устройство для сушки, охлаждения и одновременной очистки зерна можно использовать для параллельной сушки и очистки зерна. Технический результат работы предлагаемой конструкции сушилки достигается за счёт того, что обработка зернового вороха разделена на два этапа. Первый этап включает в себя нагрев зернового вороха горячим воздушным потоком и стенками сепаратора. На первом этапе также удаляется часть лёгких сорных примесей. Второй этап включает в себя охлаждение зернового вороха воздушным потоком с температурой равной температуре окружающей среды. При этом происходит окончательный съем влаги из зерна. Конструктивно-технологические параметры второго этапа позволяют дополнительно проводить очистку зерна от лёгких примесей. Согласованность параметров сушки и очистки позволяют непрерывно проводить процесс обработки зерна, обеспечивая высокое качество и производительность этого процесса.

Для рационального процесса съёма влаги во время очистки зерна необходимо использовать два рабочих органа, соединённых между собой последовательно, рис. 1.

 

Рис. 1. Схема работы конструкции сушилки: 1 — загрузочный бункер, 2 — первая секция, 3 — нагревательный элемент, 4 — вентилятор, 5 — шнеки, 6 — окно выхода очищенного зерна, 7 — вторая секция, 8 — окно для вывода сорных примесей, 9 — электрические приводы вращающие шнеки, 10 — окно вывода горячего воздуха.

Fig. 1. Schematic diagram of operation of the dryer’s design: 1 — a loading hopper, 2 — the first section, 3 — a heating element, 4 — a fan, 5 — augers, 6 — a window of output of cleaned grain, 7 — the second section, 8 — a window for output of weed impurities, 9 — electric drives for rotation of the augers, 10 — a window of hot air output.

 

Сушилка включает в себя два рабочих органа для сушки и охлаждения зерна, которые жёстко соединены с помощью промежуточного патрубка. Первый рабочий орган 2 служит для сушки зерна содержит шнек 5, закреплённый в корпусе 2. Шнек вращается за счёт передаточного механизма 9. Приёмно-загрузочное устройство 1 расположено в левой верхней части корпуса. Нагнетательный патрубок для воздушного потока с нагревательным элементом 3, вентилятором 4 и дроссельной заслонкой установлен в правой части корпуса. Патрубки 8 и 10 для выхода воздуха, расположены в левой нижней части корпуса. Нагревательный элемент 3 обеспечивает нагрев проходящего через нагнетательный патрубок воздуха до необходимой температуры.

Рабочий орган для охлаждения зерна 7 содержит шнек 5, закреплённый в корпусе 7, который вращается за счёт передаточного механизма 9.

Сушилка работает следующим образом. Влажное зерно из приёмно-загрузочного устройства 1 поступает в корпус 2 рабочего органа, предназначенного для сушки. Далее оно шнеком 5 перемещается в сторону промежуточного патрубка. Воздушный поток, создаваемый вентилятором 4 со скоростью, регулируемой дроссельной заслонкой, проходя через нагнетательный патрубок, нагревается нагревательным (тепловым) элементом 3 до необходимой по технологическим требованиям температуры и поступает в сепарирующий канал, образованный корпусом 2 и шнеком 5, где он, нагревая зерно, производит съем влаги, которая выводится через патрубок 10. Нагретое зерно выводится шнеком 5 через промежуточный патрубок во второй рабочий орган. Эффект очистки зерна усиливается благодаря закручиванию воздушного потока в сепарирующем канале и постоянном перемешивании зерна. Далее зерно поступает в корпус 7 рабочего органа, предназначенного для охлаждения. Далее оно шнеком 5 перемещается в сторону выходного патрубка 6. Воздушный поток, создаваемый вентилятором 4 со скоростью, регулируемой дроссельной заставкой, поступает в сепарирующий канал, образованный корпусом 7 и шнеком 5, где он подхватывает лёгкие частицы и уносит их через выходной патрубок 8. Охлаждённое и очищенное зерно выводится шнеком 5 через выходной патрубок 6. Эффект сушки зерна усиливается благодаря зоне охлаждения зерна и корректировке скорости перемещения зерна в рабочих органах устройства в зависимости от его влажности [10]. Обдув нагретого зерна холодным воздушным потоком приводит к съёму влаги, позволяя значительно снизить влажность зернового вороха.

Основными технологическими параметрами первой секции, влияющими на процесс сушки зерна, являются: частота вращения шнека, скорость воздушного потока, температура воздушного потока. Увеличение скорости и температуры воздушного потока и снижение угловой скорости шнека позволят интенсифицировать процесс сушки. При этом скорость воздушного потока лимитирована пределом, при котором цельное зерно начнёт захватываться воздушным потоком и выноситься через окно для выхода горячего воздуха. Экспериментальные исследования показали, что такая скорость воздушного потока находится в пределах 10…12 м/с. Температуру воздушного потока необходимо подбирать исходя из влажности зерна, типа зерна (товарное, семенной материал), частоты вращения шнека, чтобы не допустить перегрев зерна и его порчу. На основании полученных данных была спроектирована инновационная конструкция сушилки, рис. 2.

 

Рис. 2. Модель сушилки.

Fig. 2. A model of the dryer.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение мобильных установок для сушки зерна является актуальным направлением в сельском хозяйстве. Использование сушилки с предлагаемой конструкцией позволит эффективно проводить послеуборочную обработку зерна. Установлено, что за один проход съем влаги составил 4…5 %. Полученные результаты позволяют рекомендовать сушилку для использования в крестьянско-фермерских хозяйствах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов Г.Н. Чирков — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, создание 3Д модели; М.В. Ческидов — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи, подготовка рисунков; С.Д. Шепелёв — сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Федеральное государственное бюджетное учреждение «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), договор (соглашение) № 18107ГУ/2022.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. G.N. Chirkov — literature review, collection and analysis of literary sources, building the 3D-model; M.V. Cheskidov — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article, preparation of figures; S.D. Shepelev — collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article; All authors contributed significantly to the conceptualization, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. Federal State Budgetary Institution “Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology” (Innovations Assistance Foundation), contract (agreement) № 18107GU/2022.

About the authors

Sergey D. Shepelev

South Ural State Agrarian University

Email: nich@sursau.ru
ORCID iD: 0000-0003-2578-2005
SPIN-code: 4848-4782

Professor, Dr. Sci. (Engineering); Vice-Rector for Research and Innovation

Russian Federation, Chelyabinsk

Maksim V. Cheskidov

South Ural State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: richi7474@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5281-6226
SPIN-code: 7906-6068
ResearcherId:

Cand. Sci. (Engineering), Senior Lecturer of the Operation of Machine

Russian Federation, Chelyabinsk

Grigory N. Chirkov

South Ural State Agrarian University

Email: chirkov174@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-7778-6737
SPIN-code: 6906-9467

Postgraduate of the Institute of Agricultural Engineering

Russian Federation, Chelyabinsk

References

Supplementary files