Сушка зерна полукруглыми вентиляционными каналами

УДК 631.365

Сушка зерна полукруглыми вентиляционными каналами

Дондоков Ю. Ж., кандидат технических наук

Аммосов И. Н.

Дринча В. М., доктор технических наук

ФГБОУ ВО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

677007, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, Сергеляхское ш., 3-й км, д. 3

E-mail: ysaa.ykt@gmail.com

Экспериментальные исследования сушки зерна вентилированием проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. В статье представлены технологические основы сушки зерна при вентилировании атмосферным воздухом (СЗАВ) с применением полукруглых вентиляционных каналов (ПВК), а также обобщены результаты современных зарубежных исследований. Определены основные принципы и технологические режимы СЗАВ с применением ПВК. Применение ПВК для вентилирования и сушки комбайнового зерна является малозатратным способом, так как при этом не требуются дорогостоящие вложения в технические средства, а также переоборудование полов в горизонтальных зернохранилищах. Однако колебания температуры и влажности атмосферного воздуха, а также влажности зерна на корню в течение суток часто затрудняют выбор технологических параметров и технических средств для СЗАВ. СЗАВ можно осуществлять двумя способами. Один из них, так называемое вентилируемое хранение, имеет целью медленное высушивание свежеубранного зерна непосредственно в процессе хранения. Второй, ускоренная сушка вентилированием, осуществляется в основном за счёт увеличения удельных подач воздуха. Применение ПВК позволяет реализовать оба этих способа. Вентилируемое хранение позволяет уменьшить влажность зерна или высушить его до кондиционной влажности, выровнять температуру зерновой массы, удалить тепло, образующееся за счёт дыхания и самосогревания зерна, охладить и законсервировать его. Зерно высушивают путём непрерывного вентилирования до влажности, равновесной относительной влажности используемого воздуха. В процессе исследований для режима сушки с ПВК было установлено, что расстояние между продольными осями каналов не должно превышать 1 м. Данное расстояние обеспечивает равномерное распределение воздушного потока в насыпях без образования застойных зон или участков с пересушенным зерном. Нормы аэрирования для СЗАВ с ПВК составляют 4–20 л/с/т. С увеличением высоты слоя высушиваемого зерна следует подбирать вентилятор, соответствующий статическому сопротивлению зернового слоя и сопротивлению стенок вентиляционных каналов. При этом следует принимать во внимание, что с увеличением норм аэрирования, а также количества сорной и зерновой примеси статическое сопротивление увеличивается. Для некоторых режимов сушки зерна, особенно в бункерных сушилках, нормы аэрирования могут превышать 50 л/с/т. Материалы статьи могут служить основой рекомендаций по сушке зерна при вентилировании атмосферным воздухом в условиях зернопроизводящих хозяйств, а также на элеваторах и в других организациях, связанных с обработкой и хранением зерна.

Ключевые слова: зерно, активное вентилирование зерна, сушка зерна атмосферным воздухом, температура зерна, относительная влажность воздуха, расход воздушного потока, нормы аэрации зерна, равновесная влажность зерна.

Воздух в своём естественном состоянии обладает способностью абсорбировать весьма значительное количество влаги из различных продуктов, с которыми он вступает в контакт. Это свойство используется для дешёвого и сравнительно простого метода сушки зерна путём вентилирования его воздушным потоком.

Вентилирование с целью подсушивания зерна получило широкое распространение за рубежом (Hansen, Keener, Gustafson, 2006; Natural Air Grain Drying, 2008). Его применяют, когда это обусловлено структурно-механическими особенностями зерна, или по каким-либо причинам затруднена сушка зерна в высокотемпературных сушилках. Известно, что сушка бобовых культур с использованием сушилок при быстром обезвоживании сопровождается неоднократным перемещением зерна и разделением его на семядоли (Голик, 1973). Для уменьшения отрицательного воздействия высокотемпературной сушки бобовые, в частности горох, рекомендуется сушить в насыпи вентилированием при малых скоростях обезвоживания. Такие культуры, как клещевина, рапс, горчица, предпочтительно сушить в насыпи с использованием вентиляционных установок. Хорошо сушить в насыпи вентилированием семена подсолнечника.

Лучшие результаты сушки при регулируемых воздухообменах, по сравнению с высокотемпературной сушкой, получены для крупяных культур (риса, зерна, гречихи, проса). Для сушки зерна атмосферным воздухом (СЗАВ) используют летом и ранней осенью тёплый сухой атмосферный воздух (Дринча, Цыдендоржиев, 2011б). Однако колебания температуры и влажности атмосферного воздуха, а также влажности зерна на корню в течение суток часто затрудняют выбор технологических параметров и технических средств для СЗАВ (рис. 1) (Дринча, Цыдендоржиев, 2011а; McLean, 1989). Приведённые графики показывают, что выбор режимов послеуборочной обработки зерна сильно зависит от организации уборочного процесса и поступления зерна с поля в течение дневного периода.

Рис. 1. Изменение температуры, относительной влажности воздуха и влажности зерна на корню в типичные августовские дни

В практике зернопроизводящих хозяйств зачастую пренебрегают или в недостаточной мере учитывают динамику влажности зерна, относительную влажность воздуха и его температуру для оптимизации технологических режимов послеуборочной обработки, в первую очередь для вентиляционных систем и сушильного оборудования.

Применение полукруглых вентиляционных каналов (ПВК) для вентилирования и сушки комбайнового зерна является малозатратным способом СЗАВ, так как при этом не требуются дорогостоящие вложения в технические средства, а также переоборудование полов в имеющихся в хозяйствах горизонтальных зернохранилищах (Дринча, 2012; 2012а). Однако в хозяйствах РФ применение ПВК с целью сушки зерна применяется в очень ограниченном объёме, в первую очередь из-за сложности процесса и исторических предпосылок периода, когда основная часть зерна после уборки отправлялась на государственные элеваторы.

Целью данной статьи является изложение основных положений сушки зерна вентилированием зерновых масс атмосферным воздухом с использованием полукруглых вентиляционных каналов.

Методика исследований. Экспериментальные исследования сушки зерна вентилированием проводились в основном в условиях хозяйств Ивановской области в 2015–2018 годах. В процессе проведения исследований использовали стандартные методики определения влажности и температуры зерна.

Для измерения статического давления сопротивления в каналах применялся U-образный манометр (рис. 2).

Рис. 2. Схема U-образного манометра (а) и его фото без металлической контрольной трубки (б):

1 — две стеклянные трубки с открытыми концами; 2 — шкала длиной 150 мм; 3 — разница уровней показывает статическое давление в мм водяного столба; 4 — вода; 5 — хомут; 6 — полиэтиленовый соединитель; 7 — полиэтиленовая трубка; 8 — стенка канала; 9 — металлическая контрольная трубка Ø12,5 мм; 10 — отверстия Ø1,6 мм; 11 — основное направление воздушного потока; 12 — закрытый конец

U-образный манометр (рис. 2б) без контрольной металлической трубки 9 непосредственно присоединяли к стенке воздушных каналов. В качестве контрольной жидкости использовалась вода, а деления шкалы приведены в мм. Для этого типа манометров в холодное время года вместо воды могут применяться другие контрольные незамерзающие жидкости. При этом трубки могут быть как стеклянные, так и пластиковые с идеально гладкой внутренней поверхностью, а внутренний диаметр трубок должен быть не меньше 5 мм.

Общее состояние зерновой массы в процессе сушки вентилированием оценивалось также визуальными методами.

Более детальное описание применяемых методов оценки и исследований сушки зерна вентилированием представлены в статье «Обоснование процесса охлаждения зерна вертикальными аэрационными колонками» (Донодоков, Аммосов, Дринча, 2019).

Результаты исследований. Основой СЗАВ, иногда называемой естественной сушкой, является вентилирование зерна восходящим воздушным потоком, при котором наиболее критическая часть зерна находится в верхней части слоя и может быть контролируема оператором визуально. В ряде случаев СЗАВ и его хранение осуществляют в одном и том же зерновом хранилище, поэтому её еще называют сушкой в процессе хранения.

СЗАВ можно осуществлять двумя способами. Один из них, так называемое вентилируемое хранение, имеет целью медленное высушивание свежеубранного зерна непосредственно в процессе хранения. Второй, ускоренная сушка вентилированием, осуществляется в основном за счёт увеличения удельных подач воздуха. Применение ПВК позволяет реализовать оба этих способа (фото).

Фото. Применение полукруглых вентиляционных каналов для вентилируемого хранения (а) и для ускоренной сушки вентилированием (б)

Вентилируемое хранение позволяет: а) уменьшить влажность зерна или высушить его до кондиционной влажности; б) выровнять температуру зерновой массы; в) удалить тепло, образующееся за счёт дыхания и самосогревания зерна, охладить и законсервировать его. Зерно высушивают путём непрерывного вентилирования до влажности, равновесной относительной влажности используемого воздуха.

В процессе исследований для режима сушки с ПВК было установлено, что расстояние между продольными осями каналов не должно превышать 1 м. Данное расстояние обеспечивает равномерное распределение воздушного потока в насыпях без образования застойных зон или участков с пересушенным зерном. Нормы аэрирования для СЗАВ с ПВК составляют 4–20 л/с/т. С увеличением высоты слоя высушиваемого зерна следует подбирать вентилятор, соответствующий статическому сопротивлению зернового слоя и сопротивлению стенок вентиляционных каналов. При этом следует принимать во внимание, что с увеличением норм аэрирования, а также количества сорной и зерновой примеси статическое сопротивление увеличивается. Для некоторых режимов сушки зерна, особенно в бункерных сушилках, нормы аэрирования могут превышать 50 л/с/т.

Если температура вентилируемого воздуха ниже температуры зерна, то оно будет охлаждаться, а если воздух обладает «способностью сушить», то влажность зерна в процессе вентилирования будет уменьшаться. Способность воздуха сушить определяется равновесной влажностью зерна (РВЗ). РВЗ зависит от температуры зерна, относительной влажности воздуха и вида зерна.

Для каждого сочетания температуры и относительной влажности воздуха имеется конкретное значение или точка, когда влажность воздуха и влажность зерна достигают равновесного состояния. В данной точке воздух не будет насыщаться влагой или отдавать её зерну. Учитывая чрезвычайную важность правильного понимания РВЗ для практических целей СЗАВ, рассмотрим пример РВЗ пшеницы (табл.) (Agnew, 2018).

Равновесная влажность для зерна пшеницы

Рассмотрим пример. При относительной влажности воздуха 55% и температуре 5°С относительная влажность зерна пшеницы будет 13,8%. Это означает, что если продувать таким воздухом зерно пшеницы, то постепенно влажность его станет 13,8% независимо от того, что в начале вентилирования была влажность 9 или 15%.

Приведённая таблица может быть использована при оптимизации СЗАВ и применении ПВК. Температура окружающего воздуха и его относительная влажность колеблются в течение суток (рис. 1), при этом существуют часы, в течение которых относительная влажность воздуха выше, чем её значения, при которых не происходит увлажнение зерна (табл.), в эти часы продувка атмосферным воздухом не будет сушить зерно. Данная информация может быть использована и для выравнивания влажности зерна по высоте слоя, так как нижние слои обычно пересушиваются из-за необходимости высушивания верхних слоев в массе. Атмосферный воздух может быть использован для увлажнения нижних слоев в системах СЗАВ.

Колебания температуры и влажности атмосферного воздуха в течение суток часто затрудняет сушку насыпей вентилированием. Поэтому в неблагоприятное время года при повышенной влажности воздуха последний для сушки зерна слегка подогревают, снижая его относительную влажность до 55–65%, что соответствует РВЗ большинства культур (13–14%). Подсушивание зерна тёплым атмосферным или слегка подогретым воздухом происходит медленно и, как правило, более 100 ч. При этом рекомендуется применять большие нормы аэрирования, превышающие 50 л/с/т (Дринча, Цыдендоржиев, 2010; Мельник, Малин, 1980).

Совместно с датским специалистом по вентилированию зерна инженером P. A. Jensen разработана технологическая схема СЗАВ для склада с применением ПВК и подогрева воздуха до 5–6°С (рис. 3). Каналы свободно выкладываются из отдельных перфорированных полукруглых секций (с размерами 24×48×90 см). Длина секции — 90 см, высота — 24 см и ширина — 48 см. Диаметр отверстий — 2 мм.

Рис. 3. Технологическая схема применения ПВК для сушки зерна слегка подогретым воздухом

В соответствии с технологической схемой система сушки с ПВК предусматривает наличие центрального воздушного канала, сечение которого не менее 1,6 м². Центральный канал сооружается внутри склада вдоль стенки хранилища, оборудуется специальной дверью для доступа в канал и регулирования подачи воздуха в боковые каналы. В соответствии с этой схемой при начальной влажности зерна 18% рекомендуется норма аэрирования 27,5 л/с/т, а при начальной влажности зерна 20% — 55 л/с/т. Тепловая мощность теплогенератора — около 70 кВт. Применение разработанной технологической схемы позволяет сушить зерно основных зерновых культур в слое от 1 до 3 м. Сушить зерно в слое, превышающем 3 м, не рекомендуется из-за появления конденсата в верхних слоях в процессе сушки.

Заключение. Отличительной особенностью применения ПВК для сушки зерна атмосферным воздухом в сравнении с другими вентиляционными устройствами является их высокая технологическая эффективность и низкая стоимость.

Оптимальное расстояние между продольными осями каналов не должно превышать 1 м. Данное расстояние обеспечивает равномерное распределение воздушного потока в насыпях без образования застойных зон или участков с пересушенным зерном. Нормы аэрирования для СЗАВ с ПВК составляют 20–56 л/с/т. С увеличением начальной влажности зерна нормы аэрирования увеличиваются.

В случае повышенной относительной влажности воздуха рекомендуется подогревать его до 5,5°С, снижая его относительную влажность до 55–65%, что соответствует РВЗ большинства культур (13–14%).

Литература

1. Голик М. Г. Новые способы повышения стойкости зерна при хранении / М. Г. Голик. — М.: ЦНИИТЭИМинзага, СССР, 1973. — 36 с.

2. Дондоков Ю. Ж. Обоснование процесса охлаждения зерна вертикальными аэрационными колонками / Ю. Ж. Дондоков, И. Н. Аммосов, В. М. Дринча // Кормопроизводство. — 2019. — № 1. — С.34–38.

3. Дринча В. М. Вентилирование зерна напольными трубами и телескопическими установками / В. М. Дринча // Совершенные агротехнологии. — 2012. — № 3–4. — С.36–39.

4. Дринча В. М. Напольное вентилирование зерна полукруглыми каналами / В. М. Дринча // Кормопроизводство. — 2012. — № 11. — С.47–49.

5. Дринча В. Вентилирование зерна вертикальными колонками / В. Дринча, Б. Цыдендоржиев // Совершенные агротехнологии. — 2011. — № 11–12. — С.20–22.

6. Дринча В. М. Основные концептуальные положения активного вентилирования зерна / В. М. Дринча, Б. Д. Цыдендоржиев // Труды Орловского ГАУ. — 2010. — № 1 (22). — С.35–38.

7. Дринча В. М. Технологические основы сушки зерна атмосферным воздухом / В. М. Дринча, Б. Д. Цыдендоржиев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2011. — № 2. — С.36–39.

8. Мельник Б. Е. Справочник по сушке и активному вентилированию зерна / Б. Е. Мельник, Н. И. Малин. — М.: Колос, 1980. — 175 с.

9. Agnew J. The facts about grain aeration / J. Agnew. — PAMI, 2018. — 2 p.

10. Hansen R. C. Natural Air Grain Drying in Ohio / R. C. Hansen, H. M. Keener, R. J. Gustafson. — The Ohio state university. AEX-202, 2006. — 4 p.

11. McLean K. A. Drying and Storing Combinable Crops / K. A. McLean. —Suffolk: Farming Press Ltd., 1989. — 281 p.

12. Natural Air Grain Drying / Saskatchevan Ministry of Agriculture. — October 2008. — 14 p.

Grain drying by semicircular ventilation duct

Dondokov Yu. Zh., PhD Techn. Sc.

Ammosov I. N.

Drincha V. M., Dr. Techn. Sc.

Yakut State Agricultural Academy

677007, Russia, the Republic of Sakha Yakutia, Yakutsk, Sergelyakhskoe shaussee, 3^rd km, 3

E-mail: ysaa.ykt@gmail.com

Experiments took place in the Ivanovo region in 2015–2018. The paper deals with grain air-drying by semicircular ventilation duct (SVD) and also presents a literature review. The investigation determined main parameters and technological air-drying systems with low-cost SVD. Temperature and humidity variations as well as grain moisture content often complicate the choice of technological parameters and equipment for air-drying. There are two ways to air-dry grain. One of them is slow drying of freshly harvested grain in a ventilated place. The second one is fast drying by increased specific air supply. SVD allows application of both. Ventilation reduces grain water content down to optimal value, makes its temperature even, preserves and cools it down. Grain is dried by constant ventilation until its moisture content meets relative humidity of air used. The distance between duct long axes should be up to 1 m, allowing uniform air flow distribution. Aeration rates for grain air-drying by semicircular ventilation duct make up 4–20 l/s/t. Higher grain layers demand ventilation system fitting respective grain static and duct wall resistance. The higher the aeration rates and impurity amount the higher the static resistance. For some grain drying systems (bin dryers) aeration rates exceed 50 l/s/t.

Keywords: grain, active grain ventilation, grain air-drying, grain temperature, relative humidity, air flow rate, grain aeration rate, grain moisture balance.

References

1. Golik M. G. Novye sposoby povysheniya stoykosti zerna pri khranenii / M. G. Golik. — Moscow: TsNIITEIMinzaga, SSSR, 1973. — 36 p.

2. Dondokov Yu. Zh. Obosnovanie protsessa okhlazhdeniya zerna vertikalnymi aeratsionnymi kolonkami / Yu. Zh. Dondokov, I. N. Ammosov, V. M. Drincha // Kormoproizvodstvo. — 2019. — No. 1. — P.34–38.

3. Drincha V. M. Ventilirovanie zerna napolnymi trubami i teleskopicheskimi ustanovkami / V. M. Drincha // Sovershennye agrotekhnologii. — 2012. — No. 3–4. — P.36–39.

4. Drincha V. M. Napolnoe ventilirovanie zerna polukruglymi kanalami / V. M. Drincha // Kormoproizvodstvo. — 2012. — No. 11. — P.47–49.

5. Drincha V. Ventilirovanie zerna vertikalnymi kolonkami / V. Drincha, B. Tsydendorzhiev // Sovershennye agrotekhnologii. — 2011. — No. 11–12. — P.20–22.

6. Drincha V. M. Osnovnye kontseptualnye polozheniya aktivnogo ventilirovaniya zerna / V. M. Drincha, B. D. Tsydendorzhiev // Trudy Orlovskogo GAU. — 2010. — No. 1 (22). — P.35–38.

7. Drincha V. M. Tekhnologicheskie osnovy sushki zerna atmosfernym vozdukhom / V. M. Drincha, B. D. Tsydendorzhiev // Traktory i selskokhozyaystvennye mashiny. — 2011. — No. 2. — P.36–39.

8. Melnik B. E. Spravochnik po sushke i aktivnomu ventilirovaniyu zerna / B. E. Melnik, N. I. Malin. — Moscow: Kolos, 1980. — 175 p.

9. Agnew J. The facts about grain aeration / J. Agnew. — PAMI, 2018. — 2 p.

10. Hansen R. C. Natural Air Grain Drying in Ohio / R. C. Hansen, H. M. Keener, R. J. Gustafson. — The Ohio state university. AEX-202, 2006. — 4 p.

11. McLean K. A. Drying and Storing Combinable Crops / K. A. McLean. —Suffolk: Farming Press Ltd., 1989. — 281 p.

12. Natural Air Grain Drying / Saskatchevan Ministry of Agriculture. — October 2008. — 14 p.