Основы теории процесса сушки зерна презентация

1. СПОСОБЫ СУШКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗЕРНОСУШИЛОК
Существует два принципа удаления влаги: без испарения и с испарением ее. Первый принцип-это фильтрация, прессование, центрифугирование, то есть механические способы или сорбци­онный способ (смешивание с влагопоглощающим веществом) применяется либо при очень большом переувлажнении, либо при нетерпимости семян к нагреву (фасоль, соя, вика, чечевица).

Второй принцип-это тепловая сушка. В него входят такие спосо­бы, как конвективный, кондуктивный или контактный, радиаци­онный, электрический, молекулярный, комбинированные.
Конвективный способ - это нагретый воздух, чаще в смеси с топочными газами, называемый агентом сушки, проходит сквозь материал и играет роль теплоносителя и влагопоглотителя.

Кондуктивный, или контактный способ - это когда материал контактирует с нагретой металлической поверхностью. Радиационный способ - это сушка солнечными лучами или инфракрасными лучами искусственного происхождении.
Электрическая сушка - это применение ТВЧ. Материал яв­ляется диэлектриком, его помещают между двумя пластинами (обкладками конденсатора), поле ТВЧ поляризует его молекулы, приводит их в колебательное движение, нагревает, и влага испаряется.

Молекулярная сушка, или сублимация, проводится в глубо­ком вакууме. Испарение влаги приводит к потере тепла и к замораживанию. Оставшаяся влага выходит кристалликами на поверхность, начинают подогревать материал, и влага испаряется, минуя жидкую фазу.
Наиболее распространен конвективный способ, так как он дает наилучшую равномерность нагрева всех слоев материала, оборудование

несложное, энергозатраты сравнительно неболь­шие из-за того, что КПД выше, чем у других способов. Рассмот­рим зерносушилки, работающие по этому способу.
Конвектив­ный способ имеет много конструктивных реализаций.
Сушка зерна в неподвижном слое характеризуется тем, что скорость зерна равна нулю, а скорость воздуха меньше скорости витания. Это сравнительно небольшие и простые установки, они мало распространены

из-за неравномерности нагрева зерна, не­пригодности к поточному производству, так как являются уста­новками периодического действия. Это сушилки стеллажные, лотковые, камерные, ленточные, платформенные, жалюзийные, вентилируемые бункеры.
Сушка зерна в подвижном слое. При этом способе скорость зерна больше нуля, скорость теплоносителя меньше скорости ви­тания. Установки для сушки зерна в подвижном слое наиболее распространены. Это шахтные и барабанные сушилки, реже - вибрационные.

Сушка зерна в «кипящем» слое производится в аэрофон­танных сушилках и в сушилках с псевдоожиженным состоянием зерна. Аэрофонтанная сушилка имеет рабочую камеру в форме усеченного конуса, расходящегося кверху. Теплоноситель и зер­но подаются снизу. Скорость воздуха внизу выше, а наверху ниже скорости витания. Воздух поднимается по центру и захватывает зерно, которое опускается по образующим конуса. Зерно увлека­ется в вихревое движение и по мере под сыхания теряет вес и поднимается

вихрем все выше, пока не уносится воздухом за пределы камеры. Недостаток таких сушилок - неравномерность сушки. Сушилки с псевдоожиженным слоем зерна имеют более равномерный процесс. Влажное зерно подается на решето, про­дуваемое теплоносителем. При скорости воздуха около 2 м/с давление слоев друг на друга почти исчезает, подъемная сила возду­ха привадит зерно в состояние, напоминающее кипение, то есть в псевдоожиженное состояние. Высушенные зерна группируются в верхнем слое и выходят из сушилки. Сушка происходит быстро: за 11 минут влажность снижается с 25 до 18% .

Сушка зерна во взвешенном состоянии происходит в пнев­мотрубах во время транспортирования. Скорость воздуха намно­го больше скорости витания, его температура 250 ... 260°, про­должительность сушки 5 ... 6 секунд, влажность снижается при­мерно на один процент, а зерно успевает прогреться до 35°.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ
По агротехническим требованиям , на длительное хранение засыпается зерно с влажностью до 14%. Влажность свежеубранного зерна нередко составляет 20 ... 30% . Для естественной сушки зерно рассыпают слоем 10 ... 15 см и периодически перелопачи­вают или перебрасывают зернопультом. Естественную сушку применяют, если влажность зерновой смеси не превышает 20% . Более влажное зерно сушат в сушилках.

В барабанных сушилках температура теплоносителя 180 ... 220° для продовольственного зерна и 100 ... 160° для семян. Нагрев продовольственной пше­ницы не должен превышать 55°, а семенной - 48°. В шахтных су­шилках температура теплоносителя 100 ... 140°, продовольствен­ное зерно можно нагревать до 50°, семенное – да 45°, то есть не­сколько ниже, чем в барабанных, так как продолжительность пребывания зерна в нагретом состоянии здесь более высокая.

3а один пропуск разрешается уменьшить влажность не более, чем на 6 ... 8%. Но это ориентировочные условия, которые уточняются в зависимости от культуры и от продолжительности процесса сушки.
Из многих физических свойств зерна, влияющих на выбор параметров сушки (например, теплоемкость, теплопроводность,

температуропроводность, влагоотдающая способность и т.д.), выделим его гигроскопичность, которая определяет очень важный показатель– равновесную влажность зерна. Равновесная влажность – это устойчивая предельная влажность, к которой стремится зерно при данной относительной влажности воздуха. Для зерен злаковых культур равновесная влажность при температуре воздуха 15° характеризуется таблицей 1.

Если, к примеру, относительная влажность воздуха в период уборки колеблется от 80 до 85%, то с помощью вентилирования наружным воздухом невозможно снизить влажность зерна до 14% , так как для этого нужен воздух с влажностью около 70% . Если естественная сушка не­возможна, то применяют сушилки.

ТАБЛИЦА 1.-ВЗАИМОСВЯЗЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА И РАВНОВЕСНОЙ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА

1. СТАТИКА И КИНЕТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ
Процесс сушки заключается в подводе тепла к высушиваемому материалу и испарении влаги из него в окружающую среду. В сушилках конвективного действия окружающей средой служит агент сушки — смесь топочных газов с воздухом или подогретый в калорифере воздух.

СТАТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ
Статика процесса сушки изучает взаимодействие влажных материалов с агентом сушки независимо от времени. Процесс перемещения влаги от высушиваемого материала к агенту сушки или от агента сушки материалу (влагообмен) зависит от физико-химических свойств обоих компонентов.

Важным свойством в этом процессе является гигроскопичность материала, т. е. способность его отдавать и поглощать влагу. Влажный материал, находясь в сухом агенте сушки, постепенно отдает ему часть влаги в виде пара, и, наоборот, сухой материал может по­глощать водяные пары из окружающего агента сушки.

Процесс испарения влаги из материала (десорбция) может происходить в том случае, если парциальное давление водяного пара у по­верхности материала больше, чем давле­ние пара в окружающем агенте сушки.
В противном случае произойдет поглоще­ние водяных паров материалом из агента сушки (сорбция). Если давление пара у поверхности материала и в агенте сушки одинаково, влагообмен между матери­алом и агентом сушки не происходит.

Такое состояние называется равновесной влажностью материала. Если относительная влажность аген­та сушки возрастёт, возрастёт и парци­альное давление пара в агенте сушки, следовательно равновесное состояние на­рушится и влажность материала будет увеличиваться за счет сорбции влаги из агента сушки

Поглощение материалом влаги из агента сушки может происхо­дить лишь до гигроскопической влаж­ности, под которой понимается влаж­ность материала при полном насыщении агента сушки влагой (когда относительная влажность воздуха равна 100%).
Равновесное состояние нарушается также при снижении влажности агента сушки. Влажность материала при этом уменьшается за счет испарения влаги в окружающий агент сушки.

Снижение влажности материала может происходить лишь до тех пор, пока не удалится свободная (гигроскопическая) влага. Влага, физико-химически связанная с материалом, остается в нем.
Процессы влагообмена между материалом и воздухом протекают медленно. Для ускорения процесса сушки необходимо увеличивать парциальное давление водяного пара у поверхности материала и уменьшать давление пара в окружающей среде. Достигается этот эф­фект нагревом материала и агента сушки.

КИНЕТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ ЗЕРНА
Кинетика процесса сушки рассматривает взаимодействие влажного материала и агента сушки с учетом времени сушки. Характеризовать процесс сушки при этом целесообразнее в виде графиков.
По оси абсцисс (рис. 1) отложено время Т сушки, по оси орди­нат — влажность материала, отнесенная к массе сухого вещества W, и температура нагрева материала. Кривая 2 показывает характер из­менения температуры материала во времени.

1 – изменение влажности зерна за время Т; 2 – изменение температуры зерна за время Т.
Рисунок 1.- Кривые процесса сушки

1 – изменение влажности зерна за время Т; 2 – изменение температуры зерна за время Т.
Рисунок 1.- Кривые процесса сушки

Кривая 1 характеризует изменение влажности во времени W=f(Т), из графика можно получить кривую 3 изменения скорости сушки
в зависимости от влажности материала (рис. 2).
С повышением температуры материала влага с его поверхности начнет испаряться интенсивнее. Концентрация ее во внутренних слоях материала станет выше, чем на поверхности. Это вызовет перемещение влаги из внутренних слоев к поверхности материала.

КИНЕТИКА СУШКИ ЗЕРНА
Рисунок 2.-Кривая скорости сушки зерна

ПРОЦЕСС СУШКИ ЗЕРНА
Процесс сушки можно разделить на три периода.
В первый период OA происходит прогрев материала; влаж­ность его в этот период изменяется мало. Скорость сушки (кривая 3) увеличивается от 0 до ее максимального значения.
Во второй период А В влага с поверхности материала испаря­ется аналогично испарению воды с открытой поверхности, т. е. все подводимое тепло расходуется на испарение влаги.

Температура ма­териала остается постоянной. . Влажность материала изменяется почти
по прямой линии . Поэтому скорость сушки
, определяемая в каждой точке как тангенс угла наклона касательной к кривой суш­ки 1, остается постоянной (горизонтальная прямая ).
В третий период ВС влажность материала медленно снижается. По мере расхода влаги из внутренних слоев материала скорость сушки падает.

ТРЕТИЙ ПЕРИОД СУШКИ ЗЕРНА
Наступает несоответствие между количеством испаряющейся влаги с поверхности и поступающей из внутренних слоев материала.
Уменьшение интенсивности испарения влаги с поверхности вызы­вает повышение температуры материала. В конце периода сушки на­ступает равновесная влажность материала, сушка прекращается, ско­рость сушки становится равной нулю.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ВЫДЕРЖКИ ЗЕРНА В НАГРЕТОМ СОСТОЯНИИ
Как уже отмечалось выше, температуру нагрева зерна в процессе сушки следует ограничивать, чтобы не нарушать его биологические свойства. Допускаемая температура нагрева зави­сит от влажности зерна и от продолжительности выдержки зерна в нагретом состоянии. По С.Д. Птицыну, она рассчитывается по формуле

где - допустимая температура нагрева зерна, град.;
W - относительная влажность зерна, %; t - продолжительность нахождения зерна в нагретом со­стоянии до необходимой температуры , мин
Графически эта зависимость выглядит семейством убываю­щих кривых (рис.3).

Рисунок 3. Номограмма для определения допустимой температуры нагрева в зависимости от влажности материала и продолжительности сушки.

3.ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ
Сушка влажных материалов заключается в подводе влаги из внут­ренних слоев материала к его поверхности, испарении влаги с поверх­ности материала в окружающий агент сушки и отводе водяных паров от высушиваемого материала.
В сушилках конвективного типа нагретый газообразный агент суш­ки отдает высушиваемому материалу тепло,

необходимое для испарения влаги, и затем поглощает испаряющуюся из материала влагу.
Между агентом сушки и материалом происходит процесс тепло-и влагообмена. Некоторые закономерности простейшей сушки-испа­рения влаги с поверхности материала можно рассмотреть аналогично испарению воды со свободной поверхности:

где т — скорость испарения влаги в кг с 1 м2 поверхности;
Рп , РА.С — парциальные давления водяного пара соответственно у по­верхности материала и в окружающем агенте сушки, Па;
b— барометрическое давление, Па;

k B — коэффициент влагообмена между поверхностью материала и окружающим агентом сушки, зависящим от значения и на­правления скорости движения агента сушки относительно материала, кг/ .

Анализируя уравнение (3.1), можно заметить, что скорость сушки растет с увеличением разности парциальных давлений паров воды на поверхности материала и в агенте сушки РП—РА.С . Увеличения РП—РА.С можно достичь за счет роста РП при повышении температуры нагрева влажного материала. Следовательно,

скорость сушки увели­чивается при повышении температуры высушиваемого материала до пределов, ограничиваемых его термоустойчивостью.
Увеличение разности РП —РА.С может быть достигнуто также умень­шением величины парциального давления РА.С. Для этого необходимо уменьшить относительную влажность агента сушки.

С увеличением поверхности испарения при прочих равных условиях возрастает количество испаряемой влаги в единицу времени. Увеличе­ния площади испарения зернового вороха , а следовательно, и ско­рости сушки их можно достичь при использовании разрыхленного или взвешенного слоя.

При этом уменьшаются площади контактов отдель­ных зерен и соответственно увеличивается общая активная площадь тепло- и влагообмена.
Разрыхленное и взвешенное состояние зернового слоя используется в вибрационных, аэрофонтанных и пневмогазовых сушилках.

С увеличением барометрического давления растет парциальное давление водяных паров, так как
- парциальное давление сухого воздуха, Па.
Следовательно, скорость испарения влаги из материала при этом уменьшается.
Для интенсификации процесса сушки целесообразно использовать вакуумные сушилки.

4.ОБЩАЯ СХЕМА РАСЧЕТА СУШИЛОК
В задачу расчета сушилок входит определение количества удаляемой влаги, расхода теплоносителя и расхода теплоты.
Сушилка состоит из топки, сушильной камеры и охладите­ля(рис.4.1).

Рисунок 4.1.-Параметрическая схема сушилки

ПАРАМЕТРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА
Наружный воздух поступает в топку с параметрами: темпера­турой
относительной влажностью , %; влагосодержанием , г/кг сух. в. и теплосодержанием (энтальпией) , кДж/кг.
Смешиваясь с топочными газами, воздух образует теплоноситель, или агент сушки, с параметрами

Одновременно с агентом сушки в сушильную камеру поступает влажный материал со следующими параметрами:
G1— подача зерна или мас­совый расход, кг/ч;
—температура, °С;
— влажность, %.

ПАРАМЕТРЫ ЗЕРНА И АГЕНТА СУШКИ ПРИ ВЫХОДЕ ИЗ СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ
В сушильной камере часть тепла агента сушки передается материа­лу, а влага из материала переходит в агент сушки. В результате тепло-и влагообмена параметры материала при выходе из сушильной камеры станут
а, агента сушки

В охладительную камеру поступает наружный воздух с парамет­рами .
В результате взаимодействия его с материалом при выходе из охладителя параметры воздуха изменяются на , а материала - на

ПРОЦЕСС ИСПАРЕНИЯ ВЛАГИ ИЗ ЗЕРНА
В процессе сушки часть влаги из материала испаряется
где W — массовый расход влаги, испарившейся в сушильной камере , кг/ч.

УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА МАТЕРИАЛА
Масса сухого вещества в процессе сушки и охлаждения остается по­стоянной
Уравнение (4.2 ) называют уравнением баланса материала.

Из уравнения (4.2)можем определить массу материала при выходе из сушиль­ной камеры ,(кг/ч)

КОЛИЧЕСТВО ИСПАРИВШЕЙСЯ ВЛАГИ
Подставив значение g2 в уравнение (4.1) , получим массовый расход влаги, (кг/ч)

Убыль массы материала в процессе сушки определяется из выражения в %

5. УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА ВЛАГИ И РАСХОД АГЕНТА СУШКИ
Испарившаяся из материала влага в процессе сушки поглощается агентом сушки. Следовательно, общее количество влаги, поступившее в сушильную камеру и вышедшее из нее после сушки, остается посто­янным.

УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА ВЛАГИ
Уравнение баланса влаги записывается в следующих соотношениях

КОЛИЧЕСТВО ВЛАГИ, ПОСТУПИВ­ШЕЙ В СУШИЛЬНУЮ КАМЕРУ И ВЫШЕДШЕЙ ИЗ НЕЕ С МАТЕРИАЛОМ
где и
- соответственно количество влаги, поступив­шей в сушильную камеру и вышедшей из нее с материалом;

КОЛИЧЕСТВО ВЛАГИ, СООТВЕТСТВЕННО ПОСТУПИВ­ШЕЙ В СУШИЛЬНУЮ КАМЕРУ И ВЫШЕДШЕЙ ИЗ НЕЕ С АГЕНТОМ СУШКИ, L
и - количество влаги,
соответственно поступив­шей в сушильную камеру и вышедшей из нее с агентом сушки,
где L расход сухого агента сушки, кг/ч.

МАССОВЫЙ РАСХОД ИСПАРИВШЕЙСЯ ВЛАГИ W
После некоторых преобразований получим массовый расход испарившейся влаги W

МАССОВЫЙ РАСХОД СУХОГО АГЕНТА
CУШКИ L
Из выражения (5.2)определяем
массовый расход сухого агента сушки L

РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА СУХОГО АГЕНТА СУШКИ
Удельный расход сухого агента сушки, отнесенный на 1 кг испарившейся влаги, составит:
где — удельный расход сухого агента сушки на 1 кг испаренной влаги, кг.

6.ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛОТЫ
Для расчета расхода теплоты сначала представим идеальную сушилку, в которой нет тепловых потерь. Расход тепла на сушку материала в такой сушилке равен расходу тепла на нагрев агента сушки
- теплосодержание (энтальпия) соответственно наружного воздуха и агента сушки при поступлении его в сушильную камеру.

Удельный расход тепла q на 1 кг испарённой влаги равен
В действительной сушилке всегда будет дополнительный расход тепла на нагрев материала, на потери в окружающую среду, кроме то­го, в сушильной камере материал может нагреваться от дополнитель­ного источника тепла.

Поэтому уравнение баланса тепла действительной сушилки в об­щем виде запишется так
В левой части уравнения указано количество теплоты, поступавшего в сушильную камеру, в том числе: — с наружным воздухом;
Q — с агентом сушки;

G2c2 —с материалом; c W —с испарившейся из зерна влагой;
QД— от дополнительного источника (так как в боль­шинстве современных сушилок дополнительный источник тепла от­сутствует, в дальнейшем он нами не будет учитываться, т. е. QД=0); с , с2— теплоёмкость соответственно воды и зерна , кДж/кг °С .

В правой части уравнения указан расход тепла: L I2 — с отработав­шим агентом сушки;
G2c2 — с высушенным зерном;
Q o.cp — на потери в окружающую среду через стенки сушильной камеры.
Из уравнения баланса тепла (6.3) определим расход тепла на на­грев агента сушки Q (на сушку материала):

РАСЧЕТ ТЕПЛОТЫ НА СУШКУ ЗЕРНА
Удельный расход теплоты на сушку зерна

После некоторых преобразований уравнение (6.5) можно записать в следующем виде

Выражение
назовем удельным расходом тепла на нагрев материала, тогда

ПОТЕРИ ТЕПЛА
Потери тепла в окружающую среду определяются по из­вестной формуле для теплопередачи
где F-площадь поверхности сушильной камеры, м2;

- общий коэффициент теплопередачи от агента сушки в окружающую среду через стенки сушильной камеры
- средняя температура агента сушки, градусов;
t0 — температура окружающего воздуха, градусов

Расход топлива на сушку зерна
где - удельный расход теплоты на сушку зерна, кДж/кг -низкая теплотворная способность топлива , МДж/кг ;
- КПД топки.

7.РАСХОД ВОЗДУХА НА ОХЛАЖДЕНИЕ ЗЕРНА
Для устранения порчи зерна, вы­ходящего из сушильной камеры, его охлаждают. При активном вентилировании это предотвращает самосогревание свежеубранного и засыпанного на хранение зерна.
По аналогии с приведенными выражениями получим следую­щие формулы для определения:
массы зерна после охладительной камеры

Массы влаги, испарившейся в охладительной камере,
удельного расхода воздуха на 1 кг испаренной влаги
Влагосодержание d3 находят по температуре зерна t3 после ох­лаждения. Ее допускают не выше 25 °С. Если tо>20°С, то t3 = +5°С.

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СУШИЛОК
Пропускная способность сушилок рассчитывается из соотношения
где -номинальная пропускная способность, т/ч; указана в тех. характеристики сушилки;
-коэффициент , зависящий от вида
культуры; рожь гречиха-1,25; просо – 0,8;горох-0,3…0,5;кукуруза-0,6

-коэффициент , учитывающий начальную и конечную влажность высушиваемого продовольственного зерна
до равновесной влажности 14% . Например: снизить с начальной влажности с 16% до 14%
=0,54; а с 20% до 14% =1
При сушке семенного зерна пропускную способность сушилки принимают