Basics of safe drying of seeds

Full Text

Введение Для развития и повышения эффективности производства зерна важное значение имеет семеноводство, в т.ч. инновационные технологии и технические средства сушки семян [1-4]. Для получения высококачественных семян следует учитывать температуру нагрева, скорость обезвоживания и неравномерность влажности как исходных, так и высушенных семян. Эти факторы обеспечивают безопасное хранение и высокую урожайность. На практике в семеноводческих хозяйствах, чтобы гарантированно обеспечить качество семян, температуру агента сушки ограничивают предельно допустимой температурой нагрева, единовременный влагосъем - 3-6% влаги, семена высушивают до влажности на 2-3% больше кондиционной, в процессе сушки неоднократно перемешивают слой. Все это затягивает и удорожает процесс и в случае неблагоприятных погодных условий или избыточного объема материала, единовременно поступающего на обработку, может привести к потерям урожая. Перемешивание, осуществляемое вручную, не только затрудняет обслуживание сушилки, но и не исключает образования очагов самосогревания при хранении. Цель исследования Цель исследования - обоснование температуры агента сушки с учетом термостойкости, предельно допустимого влагосъема и максимальной высоты слоя, не требующей перемешивания. Обоснованный выбор безопасных режимов сушки можно выполнить, например, на базе исследования приближенных моделей тепломассопереноса в зерновке. Материалы и методы Механизм сушки представим в следующем виде. Вследствие разности температур поверхности зерновки и ее центральной части (ядра) происходят перенос массы и паров, обусловленный разностью парциальных давлений, и испарение влаги. При этом возникает градиент концентрационной диффузии влаги, который служит движущей силой перемещения влаги из ядра зерновки к ее поверхности, причем скорость процесса зависит от характера и формы связи влаги с сухим веществом зерновок [5]. В процессе переноса влажность зерновок неравномерно распределяется по радиусу. Наружная поверхность имеет более низкую влажность по сравнению с ядром, из которого влага перемещается к ней по капиллярам [6]. Интенсивность процесса сушки зависит, во-первых, от скорости продвижения влаги к поверхности зерновки, во-вторых, от скорости испарения влаги с поверхности в окружающую среду. Эти факторы непосредственно зависят от физико-химических свойств зерна и движущей силы процесса сушки, и их обоснованная взаимосвязь между собой обеспечивает безопасную сушку [7, 8]. При сушке зерна в плотном слое практически отсутствует период постоянной скорости, а его температура в пограничном слое быстро повышается, приближаясь к температуре агента сушки. Пренебрегая теплопроводностью и принимая конечную температуру зерна θк = θпд (где θпд - предельно допустимая температура нагрева зерна, °С), количество передаваемого тепла Q определим по выражению: Q = α F (t1 - θпд), (1) где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙°С); F - поверхность теплообмена, м2; t1 - температура агента сушки, °С. Это количество теплоты можно представить в виде: , (2) где dU - влагосъем, кг вл./кг сух. мат.; G - вес сухого вещества зерна, кг; dτ - время, ч; r - теплота парообразования, кДж/кг; η - доля теплоты, пошедшей на испарение влаги. Приравняв левые части выражений (1) и (2) и приняв форму зерновки шарообразной, заменим комплекс на удельную поверхность f, м2/кг, и получим: , (3) где ; Qис, Qн - теплота, затраченная на испарение влаги и нагрев, Вт. Из выражения (3) следует, что интенсивность сушки увеличивается с возрастанием α, f, (t - θпд), η и уменьшением r. Темп изменения интенсивности сушки в зависимости от перечисленных параметров имеет сложный характер, обусловленный температурой, формой связи влаги с зерновками, физико-механическими свойствами зерна, механизмом движения влаги и тепла внутри зерновок. Результаты и их обсуждение Величина θпд - режимный параметр, который задается, величина f обусловлена физико-механическими свойствами культуры, r, η - свойствами зерна и условиями проведения процесса. Так, например, при сушке семян с предварительным подогревом снижаются значения η и r, соответственно снижается и возрастает . Влияние α связано со скоростью агента сушки, с повышением t1 существенно возрастает величина θпд. Очевидно, что безопасная температура агента сушки в условиях, учитывающих не только термостойкость зерна, но и отсутствие механических и структурных повреждений, должна обеспечивать соответствие скоростей миграции влаги к поверхности зерновки и отвода паров от поверхности. Последнее обеспечит транспорт влаги в зерновке преимущественно в виде жидкости (первый период сушки), жидкости и пара (второй период сушки) без повреждения тканей оболочки семени, зародыша и белкового комплекса ядра. Известно, что первоначальное интенсивное (∆W = 2…3%) удаление влаги не отражается на качестве семян с.-х. культур [9]. Для пшеницы при влажности W ≥ 23…24% установлен предельный влагосъем: ∆W = 0,185 τ + 3 , (4) где τ - время сушки, мин. Большая часть зерна, поступающего на сушку, имеет влажность меньше гигроскопической, поэтому для надежности целесообразно пренебречь вторым членом в правой части выражения (4). Тогда допустимую скорость сушки можно записать в виде: , (5) где A - постоянная величина для каждой культуры, например, для семян кукурузы и гороха A = 0,1, для мелких семян (клевера, льна, конопли) А = 0,28. Приравняв правые части выражений (3) и (5) и заменив на (где ; W0, Wк - начальная и конечная влажность зерна, %), после сокращений получим: . (6) Следовательно, температура агента сушки зависит не только от определяющей величины θпд, но и от симплекса из коэффициента теплоотдачи, удельной поверхности, доли теплоты, пошедшей на испарение влаги, и коэффициента A, характеризующего допустимую скорость сушки. Отметим, что выражение (6) касается семян с выровненной исходной влажностью. Так, при сушке семян пшеницы с начальной влажностью Wн = 23% в плотном слое t1 = 49°С при V = 0,4 м/с; α = 18 Вт/(м2∙°С); f = 1 м2/кг; η = 0,8; A = 0,135; r = 2600 кДж/кг; θн = 20°С; θпд = 42°С. Для определения максимальной высоты слоя, при которой неравномерность влажности высушенного зерна не превысит ∆Wд = ±1,5% (согласно исходным требованиям), рассмотрим перенос влаги в слое. Массу влаги, вынесенной агентом сушки из слоя, можно записать в виде: dM = β ρ dF (U0 - U), (7) где β - коэффициент массоотдачи, м/с; ρ - плотность паров влаги, кг/м3; dF - площадь, с которой испаряется влага, м2; U0, U - влагосодержание поверхностной пленки на зерновке и агента сушки, кг вл./кг сух.возд. Ту же массу влаги можно представить как: dM = G dU, (8) где G - расход паров агента сушки, кг/с. Приравняв правые части выражений (7) и (8), получим: β ρ dF (U0 - U) = G dU. (9) Рассмотрев отдельный канал в слое, с поверхности которого испаряется влага, запишем [10]: dF = π dэ dh0 , где dэ - эквивалентный диаметр канала в слое, м; ; d - эквивалентный диаметр зерновки, м; dh0 - приращение длины канала, м; ε - порозность слоя. Величину G можно выразить следующим образом: , (10) где V0 - скорость агента сушки в канале, м/с; ; V - скорость агента сушки над слоем, м/с. После интегрирования выражения (9) в пределах от 0 до h0, от U1 до U2 и упрощения получим: , (11) где U0 - влагосодержание паровоздушной пленки на поверхности зерновки, кг вл./кг сух. мат.; U1, U2 - начальное и конечное влагосодержание агента сушки, кг вл./кг сух. возд. Расчет величин U0, U1, U2 приведен в работе [10]. Для зерна влажностью 20% при V = 0,5 м/с величина h0 составит 0,18 м, что близко к экспериментальным величинам [11]. Термостойкость семян с выровненной исходной влажностью определяют по формуле С.Д. Птицына: , (12) где W - влажность зерна, %; τ - длительность экспозиции, мин. При сушке селекционных семян ценных сортов, которые характеризуются повышенной исходной неравномерностью влажности отдельных зерновок из-за ранних сроков уборки, в работе [12] предложено к значению Wн в выражении (12) прибавлять 10%, что снижает величину θпд. В работе [13] предложено учитывать неравномерность влажности рассевом исходной навески и брать за основу 10% с наибольшей величиной влажности, что наиболее обоснованно для выбора безопасной величины θпд. Тогда формулу С.Д. Птицына запишем в виде: , где W10% - влажность 10% зерен с максимальной влажностью, %. Выражения для расчета предельных значений перечисленных параметров сведены в таблицу. Выражения для расчета предельных значений параметров Параметр Выражение Температура агента сушки, °С Влагосъем, % ∆W = A τ Высота слоя без перемешивания, м Термостойкость, °С Выводы Допустимую температуру агента сушки рассчитывают по двучленному выражению: первый член содержит удельную поверхность зерна, коэффициент теплоотдачи, теплоту парообразования и коэффициент, зависящий от допустимой скорости обезвоживания, второй член - предельно допустимую температуру нагрева семян. Максимальная высота слоя семян, высушиваемых без перемешивания, зависит от скорости агента сушки, диаметра зерновки, порозности слоя, коэффициента массоотдачи и логарифма частного влагосодержания агента сушки до и после слоя. Предельно допустимую температуру нагрева семян следует рассчитывать по формуле С.Д. Птицына, но за основу брать максимальную влажность 10% навески.

About the authors

A. V Golubkovich

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

DSc in Engineering Moscow, Russia, tel. +7 (499) 1748818

References

Supplementary files