Совершенствование технологического процесса сушки зерна гречихи с обоснованием параметров сушилки с псевдоожиженным слоем

Переход к рыночным взаимоотноыюниям в экономике Российской Федерации привёл к многоуклад ной структуре с ель скохозяйственного производства Наряду с успешно работающими крупными аграрными предприятиями появилось большое количество мзлкотоварныхфермерских хозяйств. В этих условиях большое значение придаётся сокращению потерь сельскохозяйственного сырья, наиболее значительных при уборке и хранении, повышению его качественных показателей. Потери и снижение качества зерна, маслосемян и крупяных культур в большинстве зон обусловлены дефицитом и несовершенством сушильной техники. Складывающиеся экономические условия поставили перед учеными и промьшшенностъю задачу создания перерабатывающего оборудования нового класса, работающего в условиях мелкотоварного производства.

В предшествующие годы основное внимание государством уделялось созданию высокопршзводнтельных специализированных предприятий по первичной обработке и переработке сельскохозяйственного сырья, работающих в условиях поточной организации производства, сосредоточенных в крупных населенных пунктах, значительно удаленных ог производителей сельсжохозянственнсй продукции. В результате этого непосредственные производители сырья оказались оторванными от производимой из него продукции. Разукрупнение сельскохозяйственных производств, лишение их государственной поддержки, а также создание сельскохозяйственных акционерных обществ и фермерских хозяйств существенно обострили проблему и сделали невыгодным реализацию сырья В результате этого многие сельхозпроизводители стали искать способы создания непосредственно у себя производственных мощностей по переработке сельскохозяйственного сырья на установках малой производательносш, используя очень часто случайные, приспособленные машины по технологиям, разработанными исходя из имеющегося оборудования. Относительно малые объемы производимого сельскохозяйственного сырья, которыми располагают мелкотоварные сельхозпроизводители, ставят задачу создания относительно дешевого, малогабаритного оборудованияне требующего для эксплуатации квалифицированного обслуживающего персонала, значительных капитальных затрат д ля своего размещения и обладающего широкими технологическими возможностями. Такое малогабаритное оборудование позволяет поместить его как в небольших, как правило, имеющихся в наличии строениях, так и на шасси автсмобильных прицепов, и использовать его как передвижное (перемещаемое) технологическое средство, позволяющее обслуживать значительные районы. Острая потребность в мобильных, независимых от централизованных источников питания универсальных сушильных установках возникает в ситуациях, когда в полевых условиях необходим) произвести продукты питания (крупу различного ассортимента) из имеющейся в наличии не переработанной сельскохозяйственной продукции. Кроме того, такое подвижное технологическое средство может широко использоваться в районах чрезвычайных ситуаций, в частности, в районах землетрясений, наводнений и т. д., а также и как полевое средство тыловых подразделений Вооруженных сил различного назначения.

При уборочной влажности зерна свыше кондиционной производственная мощность сушилок нередко определяет темпы уборки и урожай. Сохранность выращенного урожая и улучшение технологических свойств в крупяном производстве достигается, в первую очередь, с помощью сушки, которая является надежным единственным способом превращения активных биологических процессов в растительных материалах и их консервирования, которая так же увеличивает различия физических свойств анатомических частей зерна Качество сушки определяет семенные, потребительские достоинства и технолотичвские свойства зерна, его сохраняемость, энергетические и общие затраты на производство. На сегодняшний день это ближайший и наиболее экономичный резерв развития аграрных предприятий. Проблема дальнейшего наращивания производства продовольствия и кормов в условиях резкого удорожания энергетических ресурсов и ужесточения санитарных требований к пищевым продуктам требует изыскания и освоения новых ресурсосберегающих, экологически чистых технологий, широкого вовлечения в энергетический баланс возобновлённых источников энергии. Использующиеся до сих пор в сельском хозяйстве, на хлебоприёмных и перерабатывающих предприятиях кон-дуктивные, шахтные, а доя початков семенной кукурузы камерные зерносушилки стационарны, металлоёмки, эксплуатируются по устаревшим технологиям при существенно заниженных интенсивности сушки и энергеигче ской эффективности. Получающие распространение сегодня тегшонасосные установки по данным исследований, проводимых в США [111, 114, 128], в ФРГ [113, 115, 121], Англии [120], Франции [122], России [61, 105], Украине [7] и других странах [109, 110] показали, что их применение позволяет 1,2. 1,5 раза уменьшить энергоёмкость сушки, но при этом они стационарны, сроки сушки занимают значительное время. По данным С. М. Каргашевича [45], А, А Осташкова [79], Т. П. Троцкой [96] использование электроактивированного агента сушки активизирует удаление химически связанной воды, но процесс длится в пределах 46 часов. В последнее время широко применжтся конвективная сушка продуктами сгорания органических веществ, используемых в качестве топлива, со сравнительно высокой температурой горения. При этом процесс сушки значительно интенсифицируется. «Высокогемгеерагур-ные» сушилки непрерывного и периодического действия работают в жёстких тепловых режимах, опасных для жизнеспособности зерна. Существенным недостатком таких сушилок является высокая энергоёмкость (5. .7 МДж/кг испарённой влаги). В структуре эксплуагационных затрат на сушку затраты на топливо и электроэнергию составляют около 50%. Кроме того, используемые в качестве источника тепловой энергии продукты горения органических веществ, увеличивают содержание канцерогенов в высушиваемых продуктах, загрязняют окружающую среду. Сан-ПиН 2.3.2.560−96 [90] ограничивает содержание канцерогена беш (а)пирена> содержащегося в продуктах сгорания органических веществ, до уровня ПДК 0,001 мг в килограмме зерновой массы. В санитарных требованиях до 1996 года автором не были найдены нормы ПДК бекз (а)гшрена в зерне продовольственного назначения. Не определены на сегодняшний день и нормы переносимой суточной дозы (ЛСД) и переносимой недельней дозы (ПНД) д ля этого канцерогена.

Всё это обусловливает необходимость разработки новых, менее энергоёмких, экологически чистых технологий сушки зерна продовольственного и семенного назначения и технических средств, обеспечивающих максимальный выход крупы и получение семян с высокими посевными свойствами в условиях мелкотоварного производства.

Применение метода сушки пищевых продуктов в псевдоожиженном слое позволяет значительно ускорить процесс, что важно не только для повышения технико-экономических показателей сушильных установок, но и дня улучшения качества многих термолабильных продуктов, поскольку при даительной термической обработке качество их может резко ухудшится. Так в подготовительных операциях крупяного производства, при шдротермической обработке, проводимой с целью достижения максимального различия физических свойств анатомических частей, необходимо высушить только оболочку, сохранив ядро влажным Таких результатов можно достигнуть при высоких скоростях сушки зерна.

В дальнейшем в работе будет использоваться обобщающий термин — мобильное универсальное средство или сокращенно — мобильная установка. Под мобильном установкой будем понизишь малогабаритное оборудование, не требующее для своего разъяещения значительных капитальных затрат, обладающее широкими технологическими возможностями, в том числе, размещаемое на шасси автомобильных прицепов. При разработке такого технологического средства дня переработки основных зерновых культур в крупу основное внимание было уделено анализу применяемых в настоящее время технологических процессов по производству крупы да основных зерновых культур, позволяющих получить максимальный выход продукта с качественными показателями в соответствии с действующими нормативными документами или договорами, а так же технологиям послеуборочной обработки зерна и предпосевной обработки семян.

Такой анализ позволяет обоснованно подойти к подбору основных элементов технологического оборудования.

Поскольку наиболее сложным является создание такою рода оборудования в передвижном (мобильном) варианте, при создании машины такого класса основное внимание уделялось оптимизации конструктивных элементов сушильной установки в мобильном варианте.

Одним из главных вопросов при создании мобильных комплексов является создание малогабаритных, высокопроизводительных систем сушки, а также создание надежных, проверенных экспериментально теоретических методов расчета основных характеристик таких систем и увяжи их с мэтодаками расчета основных агрегатов, входящих в состав оборудования.

Целью настоящей работы является создание и обоснование сушильной установки для мелкотоварных фермерских хозяйств и мобильных универсальных средств первичной обработки, переработки растениеводческой продукции, а также предпосевной подготовки семян, обладающей широкими технологическими возможностями, не увеличивающей содержание канцерогенов в продуктах переработай.

Создание малогабаритной сушильной установки с такими параметрами потребовало решение следующих задач:

1. Определить тип сушильной установки, которую следует использовать для сушки зерна семенного и продовольственного назначения в условиях мелкотоварного сельскохозяйственного производства и передвижных обрабатывающих и перерабатывающих комплексов;

2. Изучить влияние степени подогрева окружающего воздуха на продолжительность, энергоёмкость процесса сушки и семенные качества зерна, на основании чего определить рациональные технологические режимы работы установки;

3. Определить зависимость коэффициента суижи зерна гречихи в форвакууме псевдоожиженного слоя от температуры агента;

4. Обосновать основные геометрические параметры малогабаритной, передвижной, сушильной установки, не увеличивающей содержание канцерогенов в зерне, изготовить её опытный образец и определить её технологические возможности;

5. Провести производственную проверку разработанной технологии, испытать сушильную установку в условиях мелкотоварного производства зериопрсизводя-щих хозяйств и перерабатывающих предприятий, рассчитать её эффективность.

В разделе I рассмотрены теоретические основы зерно сушения, основные конструкция сушильных машин. Обоснована целесообразность использования малогабаритной, мобильной, сушильной техники не увеличивающей содержание канцерогенов в высушиваемом сырье дня послеуборочнсй обработки зерна и преддо-севнсй подготовки семян при мелкосерийной (мелкотоварной) организации производства, а гак же в качестве резервного технологического оборудования зернопроизводящих и зерноперерабагывающих предприятиях с поточной организацией производства. С формулированы цепи и задачи работы.

В разделе П представлен обзор существующих кшструющй и классификация машин использующих в качестве агента сушки нагретый газ. Проанализированы энергетические, конструктивные и технологические показатели существующих кондуктавных, конвективных установок дат сушки зерна семенного и продовольственного назначения: Отмечены основные достоинства и недостатки существующих конструкций стационарных и передвижных установок дня сушки зерна при его первичной обработке на хлебоприёмных пунктах, а так же на предприятиях по его переработке Приведен сравнительный аншшз энергетической эффективности изменения затрат &bdquo-первичной" энергии на испарение влага из высушиваемого материала Сделаны выводы о целесообразности использованияпсевдоожиженного слоя дня сушки зерна в мобильных установках в условиях мелкотоварного производства Проведён анализ условий псевдоожижения: зернового слоя и условий пневмосепарировагася зерновой массы. Рассмотрены теоретические основы сушки и сепарирования зерна в псевдоожиженном слое. В результате расчёта дня рассмотренных режимов сушки зерна продовольственного и семенного назначения в сушильной установке с псевдоожиженным слоем в условиях грубого вакуума были получены зависимости затрат электроэнергии Еэ, необходимой дня обеспечения необходимых технологических режимов в рабочей камере, на сушку сгг величины увеличения температуры наружного воздуха в калорифере установки.

В разделе Ш приведены программа, методика эксперментальных и теоретических исследований, используемое оборудование и контрольно-измерительные приборы, необходимые для решения поставленных зад ач Особое внимание уделено методщке проведения опытов по сушке зерна семенного и продовольственного назначения агентом сушки, имеющим различную температуру. В главе сформулированы цели экспериментальных исследований. Приводится списание созданной экспериментальной установки.

В этой же главе дана электрическая схема сушильной установки и методика расчёта энергозатрат на проведение сушки зерна.

В разделе IV представлены результаты теоретических и жсзкримеятальных исследований процесса сушки зерна семенного и продовольственного назначения, позволившие определить рациональные режимы технологического процесса послеуборочной обработки и переработки гречихи в сушильной установке.

Рассмотрены варианты увеличения транспортирующей (влагопоглощающей) способности окружающего воздуха при сушке зерна семенного и продовольственного назначения. На основе метода &bdquo-спрямления" кривых сушки определены коэффициенты и скорость сушки зерна гречихи в исследуемой сушильной установке. Выявлена зависимость изменения коэффициента сушки от температуры агента. Приведена зависимость изменения &bdquo-данамическсй" равновесной влажности зерна от давления насыщенного пара агента сушки в рабочей зоне экспериментальной установки. Приводятся методики определения продолжительности нагрева и высушивания в зависимости от исходной влажности зерна и температуры агента.

Закономерности сушки и прогрева зерна в псевдоожижекном слое в условиях грубого вакуума определялись экспериментальным путём с использованием районированной в Самарской области сорта зерна гречихи &bdquo-Майска^' как наиболее ценной крупяной культуры.

В результате экспериментальной проверки работы спроектированной сушильной установки определены оптимальные геометрические размеры машины. Представлен анализ изменения энергии прорастания и всхожесть семян, выход ядрицы и продела в зависимости от температуры нагрева зерна.

Полученные зависимости необходимы для расчёта процесса сушки и прогревания зерна при других технологических режимах.

В разделе V обоснована энергосберегающая технология сушки зериа семенного и продовольственного назначения с использованием сушильной установки згЯхокг-ЗСГ Представлен анализ возможности использования сушильной установки в комплекте с используемыми в хозяйствах техническими средствами и технологией сушки зерна Здесь же даётся полный расчёт основных геометрических размеров и схема гидравлического тракта экспериментальной сушильной установки. Представлены рекомендации по эксплуатации сушильной установки.

В разделе VI представлены результаты производственной проверки и экономическая эффективность энергосберегающей технологии сушки зерна семенного и продовольственного назначения с использованием агрегата зерносушильного. В Общих выводах сформулированы вывода по работе.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

— теоретическое обоснование конструкции малогабаритной, передвижной сушилки и её рабочих параметров;

— зависимость изменения коэффициента супжи зерна гречихи в зависимости от температуры агента и условий высушивания;

— результаты экспериментальных исследований супжи и прогрева зерна продовольственного и семенного назначения в форвакууме псевдоожиженного слоя в условиях сушильной камеры мобильной установки и их анализ.

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 статьях" в том числе в трёх без соавторов.

Результаты, полученные автором диссертации, использованы ОАО &bdquo-Самарское производственно — конструкторское предприятие ,-Лхонт" «при выполнении научноисследовательской работы по теме &bdquo-Исследование возможности создания установки для переработки зерна в крупу в полевых условиях с повышзн-ными жсплуатационными свойствами». Государственным заказчиком работы является Министерство обороны Российской Федерации.

Диссертационная работа выполнена в Самарской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре &bdquo-Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств" в период с 1996 по 2000 года.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНООГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ.

выводы:

1. Использование малогабаритной, мобильной сушильной установки с псевдо-ожиженным слоем в условиях мелкотоварного сельскохозяйственного производства является одним из эффективных путей снижения энэргозатрат на сушку зерна при его послеуборочной обработке и переработке, а так же при предпосевной подготовке семян.

2. Эффективность использования сушильной установки определяется начальными параметрами поступающего ъ теплогенератор воздуха и необходимой величиной его подогрева. Установлено, что при величине подогрева воздуха до 40 °C.80°С применение сушильной установки позволяет снизить затраты &bdquo-первичной" энергии по сравнению с традиционно используемым оборудованием. В общем виде зависимость продолжительности сушки зерна семенного и продовольственного назначения от величины подогрева поступающего в калорифер воздуха описывается математическим выражением в состав которого входят степенные функции.

Использование выведенного уравнения наряду с зависимостями энергозатрат позволяют выбрать оптимальные технологические режимы сушки.

3. Экспериментальные исследования процесса сушки зерна семенного и продовольственного назначения в условиях форвакуума (~ 100 Па) позволили определить зависимость Kc (t) коэффициента сушки от температуры агента сушки. При постоянном значении температуры агента сушки зависимость Kc (t) близка к линейной, что говорит об устойчивом, хорошо прогнозируемом характере работы машины в выбранных диапазонах рабочих температур агента сушки.

4. Геометрические параметры спроектированной сушильной установки позволяют перемещать её в местах обработки и переработки зерна без привлечения средств механизации, а также её перевозить и организовывать работу на имеюпдахся в хозяйствах транспортных средствах. Многофункциональность сушильной установки позволяет одновременно производить сушку и очистку зерна при его послеуборочной обработке и перед шелушением в крупяном производстве, подогрев и воздушную калибровку семян. Что обуславливает целесообразность использования установки в мелкотоварном сельскохозяйственном производстве в местах непосредственного хранения или в составе передвижных обрабатывающих и перерабатывающих пунктов.

5. Производственные испытания сушильной установки с электрическим калорифером показала работоспособность машины при различных режимах сушки зерна в форвакууме псевдоожиженного слоя позволяет технологически обес.