Study of pulse drying of grain in the S-30 dryer

Full Text

Введение Для развития и совершенствования зерновой отрасли важное значение имеют инновационные технологии и технические средства сушки, позволяющие качественно и с минимальными затратами тепла высушивать зерно, предусмотренные «Системой технологий и машин» [1]. К ним относятся технологии с переменным теплоподводом, в т.ч. двухэтапные [2, 3], реверсивные [4], осциллирующие [5, 6], суть которых заключается в том, что на материал периодически воздействуют подогретым и неподогретым агентом сушки. Эти режимы предусматривают периодическое охлаждение зерна, что позволяет повысить температуру агента сушки и снизить затраты тепла. Режимы осциллирующей сушки достаточно хорошо исследованы: определены рациональные параметры длительности продувки подогретым и неподогретым агентом сушки и температура подогретого агента [7]. Однако периодическое охлаждение зерна неподогретым воздухом зачастую снижает эффект осциллирующего режима. Осциллирующий режим реализуется включением и отключением топочного устройства колонковых и шахтных зерносушилок, работающих под напором. Проходя через теплообменник отключенного топочного устройства, наружный воздух подогревается на 10-15 °С и поступает в слой зерна. При жидкостной топке повторное включение возможно после ее охлаждения до 35-40 °С, что обусловливает чрезмерное охлаждение зерна (Δθ = 10…15 °С вместо Δθ = 3…5 °С теоретически обоснованной величины). Это приводит к неоправданным потерям теплоты и снижению эффективности режима сушки. Импульсный режим в отличие от осциллирующего характеризуется лишь снижением подачи жидкого топлива в сушилку и охлаждением зерна на величину, близкую к теоретической, что позволяет снизить потери теплоты и повысить эффективность сушки. Цель исследования Цель исследования - расчет температуры и длительности воздействия на зерно слабо подогретого агента сушки и хозяйственная проверка импульсного режима сушки. Материалы и методы Для определения температуры t2 слабо подогретого агента сушки составим тепловой баланс процесса. Тепло, Вт, отданное зерном агенту сушки: Q = α F η (θ'пд - t2) τох, (1) где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·ºС); F - поверхность зерна, м2/кг; η - доля теплоты, пошедшая на испарение влаги; θ'пд - предельно допустимая температура зерна при осциллирующем режиме, °С. Предельно допустимая температура зерна при постоянной температуре агента сушки определяется по формуле [8]: , где W - исходная влажность зерна, %; τ* - длительность сушки при симметричном осциллирующем режиме (τ* ≈ 0,5 τ). Тепло Q , Вт, также можно выразить как: Q = G c ∆θ, (2) где G - масса зерна, кг; c - теплоемкость зерна, кДж/(кг·°С); ∆θ - величина охлаждения зерна, °С. Приравняем выражения (1) и (2) с учетом того, что частное - это удельная поверхность зерна f , м2/кг. После решения относительно t2 получим: . (3) Величину τох можно рассчитать на основе массопереноса в зерновке [7]. Пренебрегая сопротивлением переносу влаги в поверхностной зоне зерновки вследствие ее капиллярно-пористой структуры и теплопроводностью, массоотдачу агенту сушки с поверхности зерновки можно записать в виде: dM = β ρ F (U0 - U), (4) где β - коэффициент массоотдачи, м/с; ρ - плотность паров влаги, кг/м3; U0, U - начальное влагосодержание паровой пленки на поверхности материала и влагосодержание агента сушки, кг вл./кг сух. возд. Также массоперенос можно выразить в виде: , (5) где G' - масса влаги в обезвоживаемой зоне зерновки, кг. Приравняв правые части выражений (4) и (5), запишем: . (6) Перепишем выражение (6), приняв сферическую форму зерновки с радиусом R и толщину обезвоживаемой зоны δ: . (7) Окончательно получим после упрощений: , (8) где U1, U2 - начальное и конечное влагосодержание агента сушки, кг вл./кг сух. возд. Известно, что величина δ может быть выражена в виде [9]: , (9) где Wн, Wр - начальная и равновесная влажность материала, %; ∆Wi - цикличное снижение влаги. , где Wк - конечная влажность, %; n - количество циклов осциллирования. Расчет по выражению (3) после подстановки τох из выражения (8) показывает, что величина t2 должна быть не ниже 8-10°С относительно θ'пд, что позволит охладить зерно на 3-4°С без существенных потерь теплоты с уходящим агентом сушки. Хозяйственная проверка При приемочных испытаниях зерносушилки С-30 были уточнены предложенные расчетные зависимости определения температуры t2 и длительности воздействия на зерно τох слабо подогретого агента сушки. Сушилка С-30 (рис. 1) содержит шахту 1, диффузор 2, топку 3, воздушную камеру 4, вентилятор 5 и циклон (на схеме не показан). В сушилку непрерывно подают влажное зерно и отводят высушенное и охлажденное, периодически включают и отключают в топке форсунку «большой огонь», оставляя в работе форсунку «малый огонь». Таким образом создается импульсный режим сушки. На приемочных испытаниях высушивали продовольственное зерно влажностью W1 = 21% до W2 = 13%. Максимальная температура подогретого агента сушки t1 составила 105°С, что соответствует расчетной величине θ′пд по источнику [6], а температура слабо подогретого агента сушки t2, рассчитанная по выражению (3), составила 46°С. Эти значения температур поддерживались автоматически с помощью датчиков, размещенных в воздушной камере. Каждые 3-10 мин записывали температуру и влажность зерна на входе и выходе из сушилки, температуру агента сушки t1 и t2 на входе в сушильную камеру, длительность периодов нагрева τн и охлаждения τох зерна. Величину δ определяли из выражения (8), предварительно вычислив ∆Wi, задаваясь частотой n циклов сушки (периодов охлаждения). Результы и их обсуждение Кривые изменения температуры и влажности зерна приведены на рис. 2. В связи с малым временем периодов нагрева (τн = 8 мин) и охлаждения (τох = 6 мин) зерна и незначительными изменениями ∆θ и ∆W кривые построены по их средним значениям за цикл. Установлено, что кривые изменения температуры и влажности зерна не отличаются от классических кривых при осциллирующем режиме сушки. Изменение температуры агента сушки носит синусоидальный характер (рис. 3). В соответствии с изменением температуры агента сушки меняется температура зерна, - в начале процесса сушки установлен быстрый рост температуры с уменьшающейся амплитудой изменения величины ∆θ. Для сравнения на график нанесена кривая изменения температуры зерна при осциллирующем режиме сушки для условия охлаждения топки до температуры 35-40°С с периодами нагрева и охлаждения по 20 мин [9]. Если при импульсном режиме с охлаждением топки до 40-45°С амплитуда колебаний температуры не превышает 3-4°С, то при осциллирующем режиме она достигает 10-12°С. С более глубоким охлаждением зерна возрастают потери тепла с отходящим агентом сушки. При реализации импульсного режима в сушилке С-30 ее паспортная производительность не изменилась, затраты тепла составили q = 4,5 МДж/кг исп. вл., что на ~10-12% ниже, чем при осциллирующем режиме сушки. Установлено, что расчетные выражения для t2 и τох отличаются от фактических не более чем на 15-20%. Выводы Использование импульсного режима сушки, при котором зерно вентилируют подогретым и слабо подогретым агентом сушки, позволяет примерно в 2 раза сократить амплитуду колебаний температуры агента сушки, снизить потери теплоты, в т.ч. с отработавшим агентом сушки, на 10-12%. Температура слабо подогретого агента сушки не должна быть ниже предельно допустимой температуры нагрева зерна более чем на 8-10°С.

About the authors

A. V Golubkovich

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim@vim.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

S. A Pavlov

All-Russian Research Institute of Agricultural Mechanization

Email: vim@vim.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

I. D Lukin

Kirov Machine-Testing Station

Email: kirmis@orichi1a.kirov.ru
Engineer Orichi, Kirov region, Russia

References

Supplementary files