Seeds handling by means of separation and joining

Full Text

Введение Современные технологии растениеводства предполагают использование технологических процессов переработки материалов методами разделения, соединения и тепломассообмена. На этапе производства семян требуется выполнение технологических операций их очистки, калибровки, сушки и обработки микроэлементами, стимулирующими биологическую активность и обеспечивающими сохранность. Для осуществления каждой из перечисленных операций необходимо специализированное оборудование, область эффективного использования которого часто очень ограничена. Актуальна задача разработки оборудования для тонкой очистки и калибровки семян мелкосеменных культур по комплексу физико-механических свойств при минимальной травмируемости. Это подтверждается экспертной оценкой состояния развития аграрной науки в России [1]: «В стране засилье сортов и семян овощных культур иностранной селекции. А причина кроется в том, что у нас нет системы семеноводства, полностью отсутствует техника для уборки и подготовки семян». С учетом значительных капитальных затрат на приобретение и установку специализированного оборудования и сезонного характера его использования применение соответствующих технологий целесообразно только в условиях крупных специализированных предприятий. Однако даже при непродолжительном хранении неочищенного зерна ухудшаются его посевные качества, что приводит к снижению всхожести, энергии и силы роста семян [2]. Одним из путей решения этой проблемы может быть директивная концепция [3] разработки и налаживания выпуска многооперационного комбинированного моноблочного оборудования, которая реализуется в рамках настоящего исследования. Цель исследования В данной работе в соответствии с концепцией разработки многооперационного моноблочного оборудования [3] приведены результаты исследования технологических характеристик аппарата для организации процессов очистки, калибровки, а также обработки семян микроэлементами и приготовления смесей зерноматериалов с использованием единой технической базы. Методы разделения и соединения реализуются с помощью разных вариантов управления сегрегированными потоками сыпучего материала в рабочем объеме оборудования [4]. Важно отметить, что переход от одного варианта управления к другому не сопровождается изменением технических средств управления сегрегированными потоками. Сегрегированные потоки формируются в рабочем объеме оборудования либо спонтанно, либо искусственным путем. В них частицы сыпучего материала отличаются более однородными свойствами по сравнению с частицами технологического потока в целом. Взаимодействие неоднородных (по размеру, плотности, шероховатости, упругости, форме) частиц технологического потока сопровождается эффектами их разделения - сегрегации и миграции [5]. Вследствие этих эффектов различающиеся по свойствам частицы перемещаются навстречу друг другу, что приводит к образованию сегрегированных областей технологического потока, в которых концентрируются частицы с высокой однородностью свойств. Традиционно сегрегацию считают негативным явлением в технологических процессах переработки зернистых материалов, например в процессе триерования семян [6]. Практика показывает, что наиболее интенсивно сегрегированные потоки формируются при гравитационном течении сыпучих материалов. Такие течения образуются на естественных откосах и гравитационных скатах, в т.ч. в зонах контакта материала с рабочими органами машин. В зависимости от условий течения в потоке может наблюдаться доминирование одного эффекта разделения над другим. Сегрегация обусловлена локальной неоднородностью состава среды, когда контрольная частица вследствие своего отличия от частиц среды при взаимодействии с ними становится концентратом напряжений и получает импульс на перемещение либо в направлении гравитации, либо в противоположном направлении. Сегрегация доминирует в потоках с относительно высокой концентрацией частиц и высокой однородностью их пространственного распределения. Миграция - следствие пространственной неоднородности среды и различных скоростей хаотических квазидиффузионных перемещений неоднородных частиц, которые они приобретают при взаимных столкновениях. Частицы, имеющие малые скорости флуктуации (крупные, плотные, шероховатые и малоупругие), перемещаются в область потока с высокой концентрацией твердой фазы. Быстро движущиеся частицы (мелкие, менее плотные, гладкие и упругие) перемещаются в разреженные области потока с большой величиной свободного пробега между частицами. Миграция преобладает в разреженных потоках при высокой неоднородности пространственного распределения частиц. В технологическом аспекте чрезвычайно важно обратить внимание на различные степени зависимости кинетики эффектов сегрегации и миграции от физико-механических свойств частиц. Сегрегация протекает при первостепенной значимости различия частиц по размеру. При разделении частиц в соответствии с эффектом миграции существенное значение приобретает их различие по плотности, шероховатости, упругости без доминирующего влияния размера. Разнородные кинетические характеристики эффектов сегрегации и миграции в отношении физико-механических свойств частиц указывают на необходимость их учета при решении технологических задач переработки зернистых материалов методами разделения и соединения в управляемых сегрегированных потоках. Технологическое использование сегрегированных потоков предполагает управление этими потоками с целью либо их усиления для обработки материалов методами разделения, либо их взаимного проникновения для обработки материалов методами соединения. Материалы и методы В работе приведены результаты исследования эффективности технологического использования вариантов управления сегрегированными потоками семян злаковых и овощных культур с целью их очистки, калибровки, приготовления смесей и обработки микроэлементами с использованием единой технической базы. В качестве такой базы использован аппарат с вращающимся барабаном (рис. 1), снабженный периферийными подъемными лопастями. Он широко применяется в сельском хозяйстве и агропромышленном комплексе для организации тепломассообменных процессов (сушки, термовлажностной обработки и др.), например в составе агрегата витаминной муки. Технологические функции, обеспечивающие обработку зернистых материалов методами разделения и соединения в барабанном аппарате, выполняются за счет размещения в барабане насадки, управляющей сегрегированными потоками. Сегрегированные потоки зарождаются в засыпке материала в нижней части барабана. При взаимодействии неоднородных частиц в скатывающемся слое засыпки происходит их разделение под действием эффектов сегрегации и миграции. Вследствие эффектов разделения частицы в зависимости от их свойств занимают определенное положение не только в скатывающемся слое, но и в засыпке материала на лопасти и далее в поперечном сечении падающего слоя частиц в барабане. Так, крупные частицы с малой плотностью сосредотачиваются преимущественно вблизи открытой поверхности засыпки, в первую очередь захватываются подъемными лопастями и выпадают с опускающихся лопастей на завершающей стадии сброса материала. Таким образом сегрегированные потоки материала, зарождающиеся в засыпке в нижней части барабана, распространяются и на слой падающих частиц. Насадка, управляющая сегрегированными потоками (см. рис. 1), представляет собой блок отклоняющих элементов, выполненных, например, в виде наклонных пластин или воронок с наклонными течками. Отклоняющие элементы установлены в блоке продольными рядами с наклоном к одному из торцов барабана. Блок элементов закреплен неподвижно в центральной части барабана на опорах в торцевых камерах. Каждый ряд элементов установлен с возможностью поперечного перемещения в барабане и снабжен поворотными пластинами на его продольных кромках. Такое устройство насадки для управления сегрегированными потоками обеспечивает возможность организации избирательного контакта отклоняющих элементов с тем или иным участком падающего слоя частиц с целью его ступенчатого перемещения к тому или иному торцу барабана. При этом направление отклоняющих элементов в рядах насадки устанавливается в зависимости от свойств зернистых материалов и технологических целей их переработки методами разделения и соединения. При обработке материалов методом разделения (очистке, калибровке и фракционировании семян) в аппарате организуются встречные сегрегированные потоки, состав которых в наибольшей степени отличается содержанием контрольного компонента смеси. При очистке семян таким компонентом служит отделяемая примесь, содержание которой в любом произвольном сечении барабана максимально в одном из встречных сегрегированных потоков и минимально - в другом. В процессе калибровки семян встречные потоки организуют таким образом, чтобы они в наибольшей степени отличались друг от друга массой тысячи зерен. При организации процесса фракционирования ряды отклоняющих элементов, направленных к противоположным торцам барабана, располагаются в падающем слое частиц так, чтобы элементы одного из рядов контактировали с наиболее крупными семенами, а элементы другого ряда - с наиболее мелкими. При обработке семян методом разделения реализуется технология многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц «Мультисег» [4]. В соответствии с этой технологией в направлении технологического потока организуется множество ступеней сепарации. Каждая ступень образована встречно направленными отклоняющими элементами, расположенными в произвольном сечении рабочего объема аппарата. На множестве ступеней сепарации каждый из встречных сегрегированных потоков при переходе от одной ступени к другой обогащается частицами определенного свойства. В результате в потоках материала на выходе из аппарата у противоположных его торцов концентрируются частицы, характеризующиеся полярными свойствами: крупные и мелкие, плотные (тяжелые) и легкие, шероховатые и гладкие и т.д. Эффективность процессов очистки и калибровки исследована для семян злаковых и мелкосеменных овощных культур. Исследование технологических параметров процесса очистки семян ячменя от овсюга проведено в аппарате с вращающимся барабаном диаметром 0,3 м и длиной 1,2 м. На внутренней поверхности барабана закреплены подъемные лопасти, а в его центральной части установлен блок воронкообразных отклоняющих элементов в соответствии со схемой, представленной на рис. 2. Отклоняющие элементы установлены рядами и направлены к одному из торцов барабана в одном ряду и в противоположную сторону - в другом. Загрузка семян осуществлялась в центральную часть вращающегося барабана по наклонному вибрирующему лотку. Выход товарной фракции семян устанавливался путем регулирования соотношения величин встречных сегрегированных потоков в рядах отклоняющих элементов. Семена и нетоварная фракция выгружались через торцевые камеры с противоположных концов барабана. Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведены результаты исследования динамики процесса очистки семян ячменя от овсюга при содержании последних 100 кг-1 с производительностью 150 кг/ч и выходом товарной фракции 80%. Для изучения динамических характеристик аппарата создавались начальные условия однородного распределения исходной смеси по длине барабана с последующим анализом содержания примеси в товарном продукте и отходах в период выхода аппарата на стационарный режим функционирования. Статистическая значимость результатов в экспериментах обеспечена путем трехкратного повторения опытов и оценки их статистической однородности при 95%-ной доверительной вероятности. Полученные результаты свидетельствуют о возможности полного извлечения сорной примеси при относительно высоком выходе семян. Свидетельством эффективности аппарата следует считать и относительно непродолжительный период его выхода на стационарный режим, не превышающий 120 с, а также эффект калибровки семян по массе, сопутствующий их очистке. Измерения массы тысячи зерен показали, что ее значение для товарной фракции составило 47 г, а для отходов - 44 г. Кроме того, установлено, что обработка семян в сегрегированных потоках сопровождается значительно меньшим травмированием, чем на традиционных пневмоситовых машинах. Подтверждением этого может служить показатель всхожести, равный 98% для семян, откалиброванных в соответствии с предлагаемой технологией, и 93% для семян после обработки на пневмоситовой машине и триере. В рассматриваемом варианте управления сегрегированными потоками последние следует считать спонтанными, поскольку они имеют место в традиционной конструкции аппарата, специально не предназначенной для их формирования. Опыт показывает, что такой вариант организации сегрегированных потоков на естественных откосах эффективен для хорошо сыпучих несвязных зернистых материалов, к которым относятся семена большинства злаковых и бобовых культур. Мелкие же семена, например семена многих овощных культур и трав, следует отнести к категории связных зернистых материалов, для которых такой вариант переработки не дает желаемого технологического эффекта. Для формирования сегрегированных потоков этих материалов целесообразно использовать шероховатый скат с регулируемым углом наклона, превышающим угол естественного откоса материала. Конструкция соответствующей насадки барабанного аппарата схематически представлена на рис. 1 (вариант II). Насадка состоит из шероховатого ската, который устанавливается над засыпкой материала в барабане под его поднимающимися лопастями. Скат имеет шероховатость, равную половине эквивалентного диаметра наиболее крупных частиц смеси, и закрепляется с возможностью регулирования угла наклона в торцевых камерах аппарата. Под нижней кромкой ската установлен с возможностью горизонтального перемещения блок отклоняющих элементов, предназначенный для управления сегрегированными потоками материала, которые зарождаются на скате. Отклоняющие элементы установлены в блоке рядами и направлены вдоль нижней кромки ската к одному из его торцов в одном ряду и в противоположную сторону - в смежных рядах. По аналогии с насадкой предыдущей конструкции на продольных кромках рядов отклоняющих элементов закреплены поворотные пластины, позволяющие регулировать соотношение потоков частиц, падающих в тот или иной ряд отклоняющих элементов. Шероховатый скат, за исключением некоторого участка вблизи его верхней кромки, и блок отклоняющих элементов изолированы от непосредственного контакта с частицами падающего слоя материала с помощью экрана. Принцип функционирования насадки формально аналогичен принципу работы насадки предыдущей конструкции (см. рис. 1, вариант I) и также обеспечивает реализацию технологии многоступенчатой сепарации с противотоком неоднородных частиц. Барабанный аппарат с насадкой, содержащей шероховатый скат, использован для очистки и калибровки семян моркови сорта «Нантская», содержавших примеси семян сорных растений: марь белая - 3910 кг-1, повилика - 142 кг-1 (относится к карантинным). Очистка и калибровка семян моркови проведены в аппарате с вращающимся барабаном диаметром 0,5 м и длиной 1,5 м. Необходимый режим течения смеси семян на скате задают путем установки угла наклона ската и скорости вращения барабана. Для интенсификации эффектов разделения в потоках связных частиц при их взаимодействии угол наклона ската устанавливают со значительным превышением угла естественного откоса материала. В процессе сепарации семян моркови угол наклона ската был равен 49°. При производительности 11 кг/ч по исходным семенам моркови обнаружены следующие показатели функционирования сепаратора: выход очищенных и откалиброванных семян 65%; отсутствие семян сорных, в т.ч. карантинных растений; масса тысячи зерен 1,3·10-3 кг. При анализе показателей функционирования сепаратора особое внимание следует обратить на высокое значение комплексного показателя качества семян - массы тысячи зерен (1,3·10-3 кг), который существенно превосходит соответствующее минимальное стандартное значение для семян первого класса (1,1·10-3 кг). Этот результат представляется тем более значимым, если принять во внимание, что масса тысячи зерен в первичных отходах составила всего 0,78·10-3 кг. Соотношение масс семян в выделенных фракциях, равное 1,7, свидетельствует о высокой эффективности процесса калибровки семян одновременно по размеру и плотности. Кроме того, установлено, что возможна дальнейшая переработка нетоварной фракции семян при адаптировании параметров функционирования аппарата к изменившимся свойствам перерабатываемого материала. При обработке материалов методом соединения сегрегированными потоками управляют с целью организации либо их взаимного проникновения (разрушения), либо продольного перемешивания. Первый вариант более характерен для случаев приготовления смеси в периодическом режиме, второй - для процессов непрерывного смешивания и поточной обработки материала микроэлементами. В соответствии с первым вариантом управления на сегрегированные потоки оказывают во многом традиционное воздействие, приводящее к образованию локальных контуров поперечного и продольного перемешивания [4]. Результаты исследования эффективности такого варианта при его реализации на базе аппарата, изображенного на рис. 2, представлены в работе [4]. В данной статье приведены результаты исследования технологических характеристик аппарата с вращающимся барабаном и насадкой, управляющей сегрегированными потоками материала в падающем слое (см. рис. 2), при его использовании для непрерывного приготовления смеси в случае порционного дозирования отдельных микрокомпонентов. Аналогичный процесс имеет место при непрерывной обработке семян микроэлементами и приготовлении сухих комбикормов, содержащих микродобавки. В результате оценки реализации такого рода процессов в работе [7] сделан вывод о том, что в этом случае «достичь требуемого качества смеси весьма затруднительно, особенно при высоких соотношениях смешиваемых компонентов». Соединение непрерывного потока с микрокомпонентами представляет сложную комплексную технологическую задачу. На первом этапе ее решения необходимо обеспечить достаточно точное дозирование микрокомпонента, на втором - равномерное распределение компонента в потоке. Высокие требования по точности дозирования сыпучего микрокомпонента можно выполнить с использованием весового порционного дозатора. Однако его применение существенно осложняет задачу последующего равномерного распределения микроэлемента в непрерывном потоке. Опыт показывает, что высокая эффективность сглаживания импульсов порционной подачи микрокомпонента может быть достигнута в смесителе с управляемыми сегрегированными потоками смеси. Необходимый сглаживающий эффект достигается благодаря воздействию обратными импульсами на сегрегированный поток, обогащенный микрокомпонентом. Для этого в аппарате с вращающимся барабаном (см. рис. 2) выделяют сегрегированный поток падающих частиц, обогащенный микрокомпонентом, и обеспечивают его контакт с отклоняющими элементами того ряда, в котором они направлены навстречу технологическому потоку, т.е. к загрузочному торцу барабана. Для оставшейся части потока падающих частиц контакт с отклоняющими элементами исключается. Сглаживающий эффект обеспечивается за счет формирования в загрузочной части барабана буферной массы микрокомпонента и демпфирования пульсаций его концентрации в потоке цепочкой последовательных обратных импульсов, сообщаемых потоку отклоняющими элементами. Время выхода смесителя на стационарный режим минимизируется путем предварительного размещения буферной массы микрокомпонента в загрузочной части барабана. На рис. 4 представлены результаты опытной апробации процесса непрерывного смешивания фракций (+3…4 и +6…7 мм) модельного зернистого материала при весовом порционном дозировании одной из фракций с периодом подачи дозы 600 с. Среднее время пребывания материала в барабане составляло 360 с. Исследование проведено в аппарате с вращающимся барабаном диаметром 0,3 м и длиной 1,2 м (см. рис. 2) при производительности 150 кг/ч. Оно заключалось в определении зависимости концентрации смеси на выходе из смесителя от времени в нестационарной фазе его функционирования при управлении (кривая 1) и без управления (кривая 2) сегрегированными потоками. С целью более объективной оценки эффективности предложенного метода результаты экспериментального исследования на рис. 4 приведены в сравнении с динамикой процесса смешивания (кривая 3), полученной методом математического моделирования с использованием модели, представленной в работе [4], для смесителя с идеальным перемешиванием. Анализ результатов показывает, что барабанный аппарат с управлением сегрегированными потоками при использовании в качестве смесителя позволяет существенно увеличить сглаживающий эффект по сравнению с аппаратом традиционной конструкции и на порядок снизить коэффициент вариации концентрации смеси по сравнению с идеальным смесителем. Выводы Использование эффектов разделения неоднородных частиц при их взаимодействии в условиях гравитационного течения путем управления сегрегированными потоками в барабанном аппарате позволяет организовать процессы очистки семян злаковых и мелкосеменных овощных культур от трудноотделимых примесей и их калибровки по размеру и плотности. Кроме того, обеспечивается возможность организации процесса непрерывного приготовления смеси сыпучего материала с микроэлементами при порционной подаче последних с периодом, значительно превышающим среднее время пребывания материала в аппарате. Технологическое использование эффектов взаимодействия частиц в гравитационном потоке создает условия для обработки семян методами разделения и соединения при минимальном травмировании. В заключение следует отметить, что во всех рассмотренных вариантах технологического использования аппарата у него сохраняется функция тепломассообменного устройства - сушилки. Избирательное целенаправленное управляющее воздействие импульсами на сегрегированные части технологического потока обеспечивает достижение технологических эффектов сепарации, калибровки и смешивания без существенного увеличения энергетических затрат.

About the authors

A. N Kudi

Tambov State Technical University

PhD in Engineering Tambov, Russia

V. N Dolgunin

Tambov State Technical University

Email: dolgunin-vn@yandex.ru
DSc in Engineering Tambov, Russia

E. A Ryabova

Tambov State Technical University

Engineer Tambov, Russia

References

Supplementary files