Обоснование конструктивно-режимных параметров сушилки пророщенного зерна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Байрамов Ровшан Захид оглы

• Байрамов Ровшан Захид оглы
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Байрамов Ровшан Захид оглы

Введение

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ СУШКИ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА

1.1 Классификация способов сушки

1.2 Анализ технических решений сушилок

1.3 Общие вопросы теории сушки зерна с применением ИК излучения

1.3.1 Общие вопросы теории сушки зерна

1.3.2 Анализ работ по сушке зерна с применением ИК излучения

1.4 Направления теоретических исследований сушки пророщенного зерна

1.5 Цель и задачи исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СУШИЛКИ

2.1 Общее устройство и принцип работы разработанной сушилки пророщенного зерна

2.2 Построение иерархической схемы сушилки пророщенного зерна

2.3 Теоретическое обоснование сушильной камеры установки для сушки пророщенного зерна

2.3.1 Физическая модель процесса сушки на ленточном транспортере с применением ИК нагрева

2.3.2 Механизм переноса влаги при сушке пророщенного зерна с применением ИК нагрева

2.3.3 Анализ и модель теплового баланса и энергоемкости при сушке пророщенного зерна с подведение теплоты инфракрасным и конвективным способами

2.3.4 Математическая модель распределения температуры внутри слоя пророщенного зерна при ИК нагреве

Выводы

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СУШИЛКИ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА

3.1. Цель экспериментальных исследований

3.2 Программа проведения экспериментальных исследований

3.3 Методика определения истинной плотности непророщенного и пророщенного зерна

3.4 Методика определения коэффициентов теплового излучения непророщенного и пророщенного зерна

3.5 Методика определения начальной влажности пророщенного зерна

3.6 Методика определения конечной влажности пророщенного зерна

3.7 Методика определения равномерности высыхания пророщенного зерна

3.8 Методика определения температуры сушильного агента и атмосферного воздуха, поступающего в сушильную и охладительную камеры

3.9 Методика определения скорости сушильного агента и атмосферного воздуха, движущегося в сушильной и охладительной камерах

3.10 Методика проведения отсеивающих экспериментов

3.10.1 Методика выбора вида и мощности инфракрасных ламп, используемых для сушки пророщенного зерна

3.10.2 Методика определения высоты подвеса инфракрасных керамических ламп, используемых для сушки пророщенного зерна

3.10.3 Методика определения тепловой энергии, выделяемой инфракрасными керамическими лампами для сушки пророщенного зерна и способов подачи тепловой энергии

3.10.4 Методика определения режимов работы источников тепловой энергии

3.10.5 Методика определения дискретного режима работы источников тепловой энергии

3.10.6 Методика определения толщины слоя пророщенного зерна, находящегося на ленте транспортера

3.10.7 Методика определения температуры слоя пророщенного зерна

3.11 Методика определения энергетических показателей сушилки пророщенного зерна

3.12 Методика оценки показателей внешнего вида и структуры пророщенного высушенного зерна

3.13 Оценка производительности сушилки пророщенного зерна

3.14 Выбор критерия оптимизации, факторов и уровней их варьирования для определения энергоемкости сушки пророщенного зерна

3.15 Статистическая оценка результатов эксперимента и определение значимости коэффициентов уравнения регрессии

3.16 Общее устройство и принцип работы экспериментальной сушилки пророщенного зерна

Выводы

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты определения истинной плотности непророщенного и пророщенного зерна

4.2 Результаты определения коэффициентов теплового излучения непророщенного и пророщенного зерна

4.3 Результаты определения начальной влажности пророщенного зерна

4.4 Результаты определения конечной влажности пророщенного 114 зерна

4.5 Результаты определения равномерности высыхания пророщенного зерна

4.6 Результаты определения температуры сушильного агента и атмосферного воздуха, поступающего в сушильную и охладительную камеры

4.7 Результаты определения скорости движения сушильного агента

и атмосферного воздуха в сушильной и охладительной камерах

4.8 Результаты экспериментальных исследований энергетических показателей процесса сушки пророщенного зерна

4.9 Результаты оценки производительности сушилки пророщенного зерна

4.10.1 Результаты экспериментальных исследований по выбору вида и мощности инфракрасных ламп, используемых для сушки пророщенного зерна

4.10.2 Результаты экспериментальных исследований по определению высоты подвеса инфракрасных ламп, используемых для сушки пророщенного зерна

4.10.3 Результаты экспериментальных исследований по определению тепловой энергии, количества инфракрасных ламп, которые будут расположены над ленточным транспортером и способов подачи тепловой энергии

4.10.4 Результаты экспериментальных исследований по определению режимов работы источников тепловой энергии

4.10.5 Результаты экспериментальных исследований по определению дискретного режима работы источников тепловой энергии

4.10.6 Результаты экспериментальных исследований по определению толщины слоя пророщенного зерна, находящегося на ленте транспортера

4.10.7 Результаты экспериментальных исследований определения температуры пророщенного зерна, находящегося в верхней и нижней частях слоя

4.11 Результаты оценки внешнего вида и структуры пророщенного высушенного зерна

4.12 Анализ результатов многофакторного эксперимента сушки пророщенного зерна

Выводы

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Технико-экономический анализ эффективности применения сушилки пророщенного зерна

Выводы

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование конструктивно-режимных параметров сушилки пророщенного зерна»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При промышленном ведении животноводства в России часто применяют заимствованные западные технологии содержания, раздачи корма, а также сами корма, которые часто не адаптированы к российским условиям содержания животных. Поэтому такие технологии не могут дать того эффекта, которого ожидают сельскохозяйственные товаропроизводители.

Для эффективного ведения животноводства необходимо разрабатывать технологии с учетом условий содержания, кормовой базы, кормового сырья и возможных кормовых добавок, которые можно получить простыми и дешевыми способами [1, 2].

Многие промышленные агрохолдинги, крестьянско-фермерские хозяйства выращивают свиней.

Свиноводство является наиболее скороспелой отраслью животноводства [2]. Во всем мире свинина является наиболее употребляемым видом мяса. В мировом потреблении мяса на долю свинины приходится 43%, мясо птицы занимает 29,5%, говядина - 23,5%, другие виды - около 4% [2]. За последние 15 лет поголовье свиней в мире возросло на 20% и составляет 954,6 млн. голов, из них в Китае 485,7 млн. голов, США 66,2 млн. голов, Канаде 12,6 млн. голов, Германии 27 млн. голов, Дании 25 млн. голов, России 23 млн. голов. А до 1990 г в России поголовье свиней составляло 34 млн. голов.

Свиней сдают на мясокомбинаты живой массой 105-110 килограммов, при затратах корма 2,7-3 кормовые единицы на килограмм прироста. Для получения высоких показателей продуктивности в свиноводстве животных содержат безвыгульно и выдают им только комбикорма при полном отсутствии зеленых кормов, заменяя их кормовыми добавками.

В естественной среде обитания животные поедают большое многообразие кормов, в том числе и зеленые корма, которые богаты

клетчаткой, а также витаминами. Чтобы при безвыгульном содержании обеспечить животных натуральными витаминами, можно использовать наиболее простой и доступный способ - это введение в комбикорм пророщенного зерна [3-20]. Если выдавать пророщенное зерно отдельно от комбикорма, то физически более развитые животные будут его съедать быстрее, а слабым ничего не останется, поэтому они не будут получать необходимого количества натуральных витаминов. Поэтому пророщенное зерно необходимо выдавать в виде смеси.

Пророщенное зерно - это продукт, который получают путем проращивания зерновки. В окончательном виде пророщенное зерно состоит из ростка и зерновки, которые между собой различны по размерам, плотности, площади наружной поверхности, коэффициентам теплового излучения [16]. При добавлении сырого пророщенного зерна в сухой комбикорм полученная смесь должна быть выдана животным в течение 1-1,5 часов, затем она начинает закисать. Чтобы смесь не закисала, пророщенное зерно перед добавлением в комбикорм необходимо сушить [21, 22]. По завершении процесса сушки пророщенного зерна его конечная влажность должна составлять 13-14%. Сухую кормовую смесь раздают на свиноводческих комплексах при помощи трубопроводного транспорта [20].

Чтобы высушить пророщенное зерно, нужно обеспечить подтягивание влаги с внутреннего объема к поверхности пророщенного зерна, для этого необходимо использовать инфракрасный и конвективный способ подведения тепловой энергии, а затем удалить поднятую влагу с поверхности пророщенного зерна, для этого использовать конвективный способ.

В состав пророщенного зерна входят более плотная зерновка и тонкий, легкий, гибкий, менее плотный росток [16, 17, 18, 19]. Зерновка и росток различны между собой по плотности, твердости, размерам, структуре, скорости витания, коэффициентам парусности, коэффициентами теплового излучения. Сушка должна быть организована таким образом, чтобы после этого технологического процесса получить конечную влажность

пророщенного зерна 13-14%. Разработка технических средств, обеспечивающих сушку пророщенного зерна одинаковой конечной влажности, является важной задачей. Существующие агрегаты позволяют сушить пророщенное зерно при энергоемкости процесса сушки 2,98-4,1 кВт ч/ кг.

По итогу проведенных исследований в диссертации приведены подходы в обосновании мощности тепловых источников. Обоснована мощность источников инфракрасных керамических ламп и конвективного способа сушки. Приведено значение удельных показателей процесса сушки.

Степень разработанности. Теоретической основой для расчета сушильных установок послужили работы таких ученых как: В.П. Горячкин, С.П. Рудобашта, А.В. Лыков, А.С. Гинзбург, П.Д. Лебедев, Б.С. Сажин, В.И. Жидко, В.А. Резчиков, С.В. Вендин, Д.А. Будников, Ю.В. Родионов, А.И. Купреенко, Д.Е. Каширин, К.Р. Казаров, А.Н. Васильев, В.И. Оробинский, А.М. Гиевский, а также другие отечественные и зарубежные ученые.

В вопросах сушки кормов авторы применяют различные подходы к комплексной оценке технических средств и их функционированию.

Цель работы - снижение энергоемкости сушки пророщенного зерна за счет оптимизации конструктивно-режимных параметров сушилки с применением инфракрасного и дискретного конвективного теплоподвода.

Гипотеза для достижения цели. Пророщенное зерно является неоднородным продуктом, состоящим из зерновки и ростка, которые отличаются друг от друга плотностью, геометрическими размерами, структурой, скоростью витания, коэффициентами парусности, коэффициентами теплового излучения. За счет применения инфракрасного излучения будет происходить прогрев внутренней части пророщенной зерновки на 3-4 мм, внутри повысится давление, и влага будет подниматься с внутренних слоев к поверхности. Дискретный конвективный способ позволит снизить эксплуатационные затраты. Испарение влаги с поверхности пророщенной зерновки будет осуществляться за счет движения сушильного

агента. После сушки должна быть получена одинаковая конечная влажность зерновки и ростка.

Задачи исследований:

1. Провести анализ способов и технических средств для сушки сыпучих растительных продуктов, обосновать конструктивную схему сушилки, учитывая особенности структуры пророщенного зерна.

2. Разработать математические модели: сушки пророщенного зерна с учетом геометрических размеров зерновки и ростка; энергоемкости сушки пророщенного зерна с учетом начальной и конечной влажности; количества необходимой тепловой энергии для сушки пророщенного зерна с учетом её подведения инфракрасным и конвективным способами; изменения температуры пророщенного зерна с учетом толщины слоя.

3. Усовершенствовать методики определения коэффициентов теплового излучения пророщенного зерна.

4. Получить регрессионные модели и по их результатам определить влияние факторов на энергоемкость сушки пророщенного зерна с использованием предложенной сушилки.

5. Выполнить производственную проверку и провести технико-экономическую оценку эффективности сушки пророщенного зерна с подведением тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами.

Объект исследований. Технологический процесс сушки пророщенного зерна с инфракрасным и дискретным конвективным способами подведения тепловой энергии.

Предмет исследования. Закономерности влияния на процесс сушки пророщенного зерна тепловой энергии, подведенной инфракрасным и дискретным конвективным способами.

Научную новизну составляют: коэффициенты теплового излучения пророщенного зерна, математические модели сушки пророщенного зерна, учитывающие инфракрасный и дискретный конвективный способы

подведения тепловой энергии, влияние конструктивных параметров и режимов работы сушилки пророщенного зерна на энергоемкость сушки, изменения температуры пророщенного зерна с учетом толщины слоя, результаты оптимизации конструктивно-режимных параметров сушилки пророщенного зерна с подведением тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами.

Теоретическую значимость представляют:

- результаты теоретических исследований процесса сушки пророщенного зерна, математические модели: энергии, подведенной инфракрасным излучением и конвективным способами к одной пророщенной зерновке и к слою пророщенного зерна; мощности источника инфракрасного излучения и источника конвективного нагрева; тепловой энергии, необходимой для сушки одной пророщенной зерновки; необходимой мощности оборудования для сушки пророщенного зерна; изменения температуры пророщенного зерна с учетом толщины слоя; площади слоя пророщенного зерна с учетом величины тепловой энергии и толщины слоя пророщенного зерна.

Практическую ценность представляют:

- конструктивно-технологическая схема сушилки пророщенного зерна, которая обеспечивает подведение тепловой энергии инфракрасным и конвективным способами, равномерную сушку пророщенного зерна (патент РФ RU 2788274, RU 2757401, RU 2825490, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2022619567, 2022668855, 2022682136);

- регрессионные зависимости поверхности отклика: энергоемкости сушки от температуры и скорости движения сушильного агента, энергоемкости сушки от мощности и высоты подвеса инфракрасных керамических ламп, которые позволили оптимизировать работу сушилки пророщенного зерна при подведении тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами;

- рекомендуемые конструктивно-режимные параметры сушилки, обеспечивающие равномерность сушки пророщенного зерна;

- результаты производственной проверки предложенной сушилки, проведенной на предприятиях ООО «Заречье» Грайворонского района и АО «АГРО-ОСКОЛ» Алексеевского района Белгородской области.

Степень достоверности.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки и решения задач с использованием фундаментальных положений теорий сушки материала, обработкой экспериментальных данных общепринятыми методами с использованием многофакторного анализа, математических программных пакетов для ПЭВМ: «Microsoft Office Excel 2010», «Statistica-2010», хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на национальной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов «Инновационные решения в агроинженерии в XXI веке» 2021 года в Белгородском ГАУ, п. Майский; международной научно-производственной конференции «Роль науки в удвоении валового регионального продукта» 2627 мая 2021 года в Белгородском ГАУ, п. Майский; национальной научно-практической конференции «Цифровые и инженерные технологии в АПК» 25 ноября 2021 года в Белгородском ГАУ, п. Майский; конференции «Современные направления повышения эффективности использования транспортных систем и инженерных сооружений в АПК», международной студенческой научно-практической конференции в Рязанском ГАТУ имени П.А. Костычева 2022 года, г. Рязань; конференции «Актуальные проблемы в агроинженерии в XXI веке» 2023 года, в Белгородском ГАУ, п. Майский; национальная научно-практическая конференция с международным

участием «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» 21 мая в Брянском ГАУ, г. Брянск 2024 года; международная научно-практическая конференция «Инновации в животноводстве и современные технологии производства продуктов питания, проблемы экологической, производственной и гигиенической безопасности», 24 мая Донской ГАУ пос. Персиановский, 2024 года; Национальная научно-практическая конференция «Теория и практика инновационных технологий в АПК» 1 апреля Воронежский ГАУ г. Воронеж, 2024 года; на расширенном заседании кафедры «Машины и оборудование в агробизнесе» Белгородского ГАУ 2024 г.

Методология и методы исследования.

Для решения сформулированных научных задач применяли математические методы исследования, фундаментальные физические законы теплопередачи энергии излучением. Теоретическое обоснование процесса теплообмена выполняли с применением математического анализа, теории теплообмена, теории тепломассопереноса. Определение оптимальных параметров и режимов работы сушилки пророщенного зерна проводили с применением методов регрессионного анализа и оценкой достоверности результатов. Экспериментальные исследования проводили с применением стандартных и частных методик, приборов. Полученные значения обрабатывали с применением ПЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологическая схема сушилки пророщенного зерна с подведением тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами;

- математические модели сушки пророщенного зерна, учитывающие: энергию, подведенную инфракрасным излучением и дискретным конвективным способами; обоснование мощности источника инфракрасного излучения; тепловую энергию, необходимую для сушки одной пророщенной зерновки; необходимую мощность оборудования для сушки пророщенного

зерна; площадь ленточного транспортера с учетом величины тепловой энергии и толщины слоя пророщенного зерна; энергоемкость процесса сушки с учетом конечной влажности пророщенного зерна; изменение температуры пророщенного зерна с учетом толщины слоя;

- результаты экспериментальных исследований и регрессионные зависимости, включающие влияние конструктивно-режимных параметров на энергоемкость сушки пророщенного зерна;

- результаты производственных испытаний и технико-экономической оценки сушилки пророщенного зерна с подведением тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами.

Реализация результатов исследований.

Сушилка пророщенного зерна прошла производственную проверку в ООО «ЗАРЕЧЬЕ» Грайворонского района и АО «АГРО-ОСКОЛ» Алексеевского района Белгородской области и показала высокую эффективность.

Материалы исследований по разработке средств механизации сушки пророщенного зерна переданы в АО АГРОФИРМА «РУСЬ» Корочанского района Белгородской области, а также используются в качестве методических пособий в учебном процессе ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 3 патента на изобретение, 3 свидетельства о государственной регистрации программы на ЭВМ. Общий объем публикаций составляет 5,58 печ. л., из которых 4,2 печ. листа принадлежат лично автору. На работы, выполненные в соавторстве, сделаны ссылки.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует паспорту специальности 4.3.1. «Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса» в областях исследований, представленных в п. 4 «Механизированные, автоматизированные и роботизированные технологии и технические

средства для агропромышленного комплекса.», п. 6 «Методы и средства оптимизации технологий, параметров и режимов работы машин и оборудования», п. 9 «Методы, средства исследований и испытаний машин, оборудования и технологий для агропромышленного комплекса».

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 182 наименований, в том числе 8 - на иностранных языках, содержит 67 рисунков, 13 таблиц и 14 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ СУШКИ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА

1.1. Классификация способов сушки

При промышленном ведении животноводства и птицеводства значительную часть кормов составляют комбикорма. Комбикорма представляют собой смесь, которая состоит из измельченных зерновых и зернобобовых культур, отходов переработки пищевой продукции, макро- и микроэлементов, и витаминов [13, 14]. Комбикорм хранят в сухом виде, его влажность составляет 12-14%. Одной из технологических операций по подготовке сырья для приготовления комбикорма является сушка. Сушка зерна является термическим процессом удаления влаги за счет её испарения, или выпаривания. Сушка отличается высокой энергоемкостью. Поэтому создание сушилок, которые будут характеризоваться снижением эксплуатационных затрат является актуальным вопросом.

В сельском хозяйстве сушку применяют для различных целей: изменения физических свойств, перед измельчением продукции, для консервации, предохранения от загнивания и появления плесени.

Сушку зерна могут осуществлять естественным путем за счет использования солнечной энергии, искусственным способом с применением сушилок различных конструкций.

Сушка зерна естественным способом (лучевая сушка) характеризуется тем, что на ее протекание не затрачивают топливо. Протекание такой сушки зависит от температуры окружающей среды, наличия солнечного света, толщины слоя зерна, наличия ветра, влажности воздуха. При естественной сушке можно высушить зерно только до влажности близкой к равновесной, соответствующей параметрам окружающего воздуха. Такая влажность иногда не соответствует требованиям последующей технологической обработки.

Достоинством искусственной сушки является небольшая продолжительность процесса, меньшая площадь для раскладывания зерна, независимость от погодных условий.

Для того, чтобы осуществить сушку зерна к продукту необходимо подвести дополнительную энергию. В зависимости от того каким способом подвели энергию из вне, сушка может быть конвективной, кондуктивной, инфракрасной, произведенной в СВЧ установках и так далее [21, 22].

Конвективная сушка отличается тем, что тепловая энергия, которая необходима для удаления влаги из зерна поступает с теплым воздухом -конвекцией.

Кондуктивный способ сушки состоит в том, что тепловую энергию к зерну подводят за счет механического контакта с нагретой поверхностью, за счет кондукции (теплопроводности). Такой способ характеризуется неравномерностью прогрева, потому что зерно, которое непосредственно контактирует с нагретой поверхностью, нагревается сильней по сравнению с зерном, которое расположено дальше от нагретой поверхности.

С учетом давления среды, в которой происходит сушка, она может происходить при атмосферном давлении, или при давлении ниже атмосферного - вакуумные сушилки.

Конвективный и кондуктивный способы сушки основаны на том, что перенос влаги внутри тела производят под действием градиентов влагосодержания, температуры и общего давления. На сушку зерна в электромагнитном поле дополнительно оказывают влияние термодинамические движущие силы, в качестве которых рассматривают градиенты векторов напряженности электрического и магнитного полей. Нагрев влажного зерна токами высокой частоты происходит за небольшой промежуток времени, поэтому скорость испарения выше скорости переноса влаги внутри самой зерновки [23].

Сушка зерна магнитными полями, образованными токами высокой частоты, заключается в том, что на молекулы зерна воздействует магнитное

поле, которое заставляет молекулы колебаться, в результате чего происходит их трение, повышение температуры продукта и испарение влаги [21, 22]. Способ обеспечивает быстрый нагрев продукта, но достаточно энергозатратный.

Использование для сушки зерна токов высокой частоты позволяет получить постоянно существующий градиент температур внутри продукта и увеличить скорость сушки продукта.

В соответствии с этим градиенты влагосодержания и температуры могут принимать как положительное, так и отрицательное значение. Отрицательный знак показывает, что направление вектора потока влаги не совпадает с направлением градиента и соответствует перемещению влаги из внутренних слоев продукта к его поверхности.

Сублимационный способ состоит в том, что от высушиваемого продукта забирают теплоту, т.е. осуществляют его охлаждение. Температура значительно снижается, а оставшаяся влага выходит на поверхность в виде кристаллов льда. Затем под действием подведенной из вне теплоты лед, минуя жидкую фракцию, переходит в пары воды. Такую сушку используют, если нужно обеспечить первоначальные свойства продукта, такие как вкус, запах, цвет.

Существует акустическая сушка. Для такой сушки нужна газовая среда [23]. Объекты сушки обладают различной степенью поглощения звука и глубиной проникновения акустической энергии в материал. Поглощение акустической энергии и соответствующее снижение интенсивности звука в среде происходит по экспоненциальному закону. Если частота звуковых волн, подводимых для сушки, будет находиться в ультразвуковом диапазоне, то сушка будет ультразвуковой.

Особенность инфракрасной сушки зерна состоит в том, что энергию для нагрева зерна переносят инфракрасными лучами, которые проникают вглубь зерна на 3-4 мм, нагревают его изнутри и повышают внутри давление. За счет этого влага поднимается из внутренних слоев зерна и перемещается к

поверхности. Преимущество инфракрасной сушки состоит в том, что интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой выше. Используя инфракрасный способ подведения тепловой энергии, можно повысить скорость сушки и увеличить производительность сушильного агрегата.

Применяют указанные способы как отдельно друг от друга, так и в совокупности в зависимости от свойств высушиваемого продукта.

1.2 Анализ технических решений сушилок

При классификации материалов как объектов сушки необходимо учитывать их физические свойства, структуру, коэффициент диффузии.

Пророщенное зерно является неоднородным продуктом, который состоит из ростка и зерновки, и имеющий высокую влажность, порядка 5456% [18, 24]. Зерновка и росток отличаются по своему составу и геометрическим размерам. Такой продукт необходимо скармливать животным как можно скорее после снятия урожая. Чтобы пророщенное зерно можно было хранить более двух часов без потери качества необходимо удалять из него избыточное содержание влаги. Росток и зерновка имеют различную толщину, плотность, структуру [17, 18, 24, 25]. Причем толщина ростка составляет около 0,1 мм, а толщина зерновки 4-5 мм. При сушке пророщенного зерна только конвективным способом росток будет пересыхать, а зерновка будет отдавать влагу менее интенсивно, поэтому высыхать будет медленнее. Тогда конечная влажность пророщенного зерна будет разной. Чтобы конечная влажность пророщенного зерна была одинаковой, необходимо осуществить прогрев инфракрасным способом. Тогда возрастет давление внутри, и влага будет быстрее подниматься к поверхности пророщенного зерна. Конечная влажность пророщенного зерна будет одинаковой. В процессе сушки масса переходит в такое состояние, при котором снижается интенсивность дыхания, уменьшается деятельность

микроорганизмов ввиду того, что снижается содержание влаги, которая является питательной средой для микроорганизмов [21, 22, 23].

Специалисты Дианов Л.В., Смелик В.А., Юнкин П.А. [26] в 2002 г в Ярославской ГСХА предложили конвейерную сушилку для сыпучих материалов, которая изображена на рисунке 1.1. Работа сушильного агрегата основана на том, что включают топочный блок и вентилятор. Обеспечивают поток горячего воздуха в направлении снизу-вверх. Масса, которую

1 - Камера; 2 - днище; 3 - транспортер цепочно-скребковый; 4 - транспортер разравнивающий; 5 - механизм регулирующий; 6 - датчик уровня загрузки; 7 - короб жалюзийный; 8 - каретка; 9 - полка; 10 - механизм движения каретки; 11 - блок топочный; 12 - вентилятор; 13 - канал; 14 - камера охлаждения; 15 - вентилятор.

Рисунок 1.1 - Конвейерная сушилка сыпучих материалов [26]

необходимо высушить сыпучим потоком, направляется навстречу сверху-вниз. Таким образом осуществляется противоток. Разравнивающий транспортер распределяет массу по всей длине сушильной камеры. Затем транспортер останавливают и за счет продуваемого теплоносителя производят нагрев и испарение влаги.

После сушки массу сбрасывают отдельными порциями на транспортер 3, который подает её в камеру охлаждения. Далее включают вентилятор холодного воздуха и производят охлаждение продукта.

Недостаток сушилки состоит в том, что при выполнении технологического процесса происходит механическое многократное

взаимодействие рабочих органов сушилки с материалом, что может привести к его травмированию.

Специалист Блохин Н.А. в 2001 году предложил конструкцию конвейерной сушилки для зерна [27], которая изображена на рисунке 1.2.

1 - Бункер надсушильный; 2 - камера сушильная; 3 - основание перфорированное;

4 - конвейер цепочно-планчатый; 5 - привод конвейера; 6 - вентилятор;

7 - теплогенератор; 8 - воздуховод; 9 - крыша воздуховода;

10 - окно смотровое; 11 - диффузор; 12 - датчик нижнего уровня зерна.

Рисунок 1.2 - Сушилка конвейерная для зерна [27]

Работа сушилки осуществляется так. Масса продукта поступает в надсушильный бункер, где происходит её предварительное накопление. После чего зерно самотеком поступает в распределитель и слоем необходимой высоты располагается на конвейере. Агент сушки прогревает слой зерна, и одновременно удаляет с него влагу.

Недостаток заключается в том, что для охлаждения необходимо подать атмосферный воздух, в результате чего будет охлаждаться, в том числе, и сушильная камера. Затем для следующей порции высушиваемого зерна её необходимо снова нагревать. Такой расход тепла снизит общий КПД сушилки.

В Башкирском ГАУ специалисты Ефимов А.В., Масалимов И.Х., Ганиев И.Р., Пермяков В.Н. в 2009 году представили конвейерную сушилку сыпучих материалов (рисунок 1.3) [28].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Байрамов Ровшан Захид оглы, 2025 год

источников тепла

и вентилятора, ч

3.12 Методика оценки показателей внешнего вида и структуры пророщенного высушенного зерна

При проращивании зерна происходит поглощение зерновкой влаги и в результате протекания процессов жизнедеятельности образуются зеленый росток и корешок.

В процессе сушки пророщенного зерна происходит испарение влаги. Возникает необходимость провести оценку внешнего вида и структуры пророщенного и пророщенного высушенного зерна. Для этого используют электронный микроскоп Digital Microscope HIGH CLOUD-1600X, представленный на рисунке 3.17.

Для проведения исследований отбирают образцы пророщенного зерна влажностью 54-56% и пророщенного высушенного зерна влажностью 1314%. Причем пророщенное зерно сушат разными способами: только

конвективным, облучением ИК керамическими лампами и конвективным способом. Для сушки пророщенного зерна применяют экспериментальную сушилку.

1 - Ноутбук; 2 - окуляр; 3 - кнопка включения подсветки; 4 - предметный столик;

5 - штатив; 6 - регулятор грубой настройки; 7 - крепление;

8 - регулятор тонкой настройки.

Рисунок 3.17 - Digital Microscope HIGH CLOUD-1600X

3.13 Оценка производительности сушилки пророщенного зерна

Производительность сушилки пророщенного зерна оценивают следующим образом. Включают трубчатые электронагреватели для нагрева воздуха, включают электрические приводы вентиляторов горячего и атмосферного воздуха, включают инфракрасные керамические лампы, они работают пока температура поверхности ленточного транспортера и стенок камеры сушки не выйдет на рабочие значения [175-177]. Измеряют температуру воздуха внутри сушильной камеры.

Измеряют температуру движущегося воздуха в охладительной камере. Когда температура внутри сушильной камеры выходит на рабочее значение, на верхний ленточный транспортер подают пророщенное зерно и раскладывают его раскладчиком. После процесса сушки пророщенное высушенное зерно направляют в камеру охлаждения на транспортер. Затем

пророщенное высушенное зерно охлаждают атмосферным воздухом до температуры, которая не будет превышать температуру окружающей среды более чем на 100. Затем измеряют влажность пророщенного высушенного охлажденного зерна на выходе из камеры охлаждения.

Фиксируют время начала загрузки пророщенного зерна в сушильную камеру и время выгрузки пророщенного высушенного охлажденного зерна из камеры охлаждения. Отрезок времени, в течение которого значение начальной влажности снизилось до значения конечной влажности 14%, измеряют при помощи электронных часов. Измерения проводят в трехкратной повторности и затем высчитывают среднее значение.

Часовую производительность определяют, как частное от высушенной массы пророщенного зерна к длительности сушки.

^4=^4 (3.19)

где МС - масса продукта влажностью 13-14%, которую выгружают из зерносушилки, кг;

1:СУШ - продолжительность времени, в течение которого происходит снижение влажности с начального до конечного значения, час.

3.14 Выбор критерия оптимизации, факторов и уровней их варьирования для определения энергоемкости сушки пророщенного зерна

При выборе критерия оптимизации сушки пророщенного зерна необходимо учитывать предполагаемые объемы сушки. Если объемы достаточно большие, то в качестве критерия оптимизации необходимо выбрать минимальные затраты на сушку [68, 70]. Т.к. у пророщенного зерна высокая начальная влажность, то, чтобы выбрать наилучший режим работы в предлагаемой сушилке, необходимо воспользоваться показателем скорости сушки.

Количество удаленной влаги определим по выражению:

Ат = т± — т2, (3.20)

где т1 - масса влажного пророщенного зерна (влажность 54-56%) до процесса сушки, кг;

т2 - масса сухого пророщенного зерна (влажность 13-14%) после сушки, кг. Скорость сушки определим по выражению:

Чсуш = ^р2, (3.21)

^СУШ

где т1 - масса влажного пророщенного зерна (влажность 54-56%) до процесса сушки, кг;

т2 - масса сухого пророщенного зерна (влажность 13-14%) после сушки, кг; 1:СУШ - продолжительность сушки пророщенного зерна с начальной до конечной влажности, ч.

В нашем случае в качестве критерия оптимизации выберем энергоемкость сушки пророщенного зерна.

Чтобы определить энергоемкость процесса сушки, применим выражение (3.18).

Учитывая результаты промежуточных проведенных исследований сушилки пророщенного зерна, определено, что наибольшее влияние на сушку пророщенного зерна оказывают: Х1 - скорость движения сушильного агента, Х2 - температура сушильного агента.

Эксперименты необходимо проводить при условии, что значения некоторых факторов будут постоянными [156-161].

Гранулометрический состав пророщенного зерна зависит от вида проращиваемой культуры и сорта. К тому же при сушке пророщенного зерна не производят выравнивание массы зерна по гранулометрическому составу. Поэтому гранулометрический состав нельзя указывать как независимый фактор.

Значение относительной влажности воздуха связано с температурой воздуха. С возрастанием температуры воздуха происходит снижение

влажности воздуха. Поэтому относительную влажность воздуха некорректно выбирать в качестве независимого влияющего фактора.

Максимально допустимая температура нагрева пророщенного зерна составила 58-620С, поэтому указанный фактор не может быть принят в качестве независимого фактора.

В процессе проращивания зерна его начальная влажность является величиной постоянной и составляет 54-56 %. Поэтому начальная влажность пророщенного зерна не может быть независимым фактором.

Чтобы можно было длительно хранить пророщенное зерно, необходимо обеспечить его конечную влажность 13-14%. Поэтому конечная влажность пророщенного зерна не может быть независимым фактором. Время работы ИК ламп при сушке пророщенного зерна составляет 130-200 мин, остается постоянным и зависит от способа подведения тепловой энергии и мощности нагревательных элементов. В процессе экспериментальных исследований высоту слоя пророщенного зерна на ленте сушилки принимали как величину постоянную - 0,012 м.

При проведении эксперимента с использованием предложенной сушилки в качестве независимых факторов были приняты: средняя температура сушильного агента, ТС 0С; средняя скорость движения сушильного агента, vc м/с. Нагрев пророщенного зерна проводят с использованием инфракрасных керамических ламп и трубчатых электронагревателей. В экспериментах мощность инфракрасных керамических ламп приняли РЛ = 50, 75 и 100 Вт.

После проведения отсеивающих экспериментов были выделены факторы, которые оказывают наибольшее влияние на энергоемкость сушки пророщенного зерна. Факторы приведены в таблице 3.6.

После обработки результатов экспериментальных исследований необходимо получить уравнения регрессии энергоемкости сушки пророщенного зерна Эсуш=ДУс, Тс).

Таблица 3.6 - Факторы, влияющие на энергоемкость сушки пророщенного зерна

Обоз на-чение Наименование фактора Уровни варьирования факторов Интервал варьирован ия факторов

-1 0 +1

Х1 Средняя скорость движения сушильного агента, vс, м/с 2,2 3,2 4,2 1

Х2 Средняя температура сушильного агента, Тс, 0С 40 50 60 10

Факторы, которые записаны в таблице, удовлетворяют следующим требованиям:

1. уровни варьирования факторов можем устанавливать на заданных уровнях в соответствии с матрицей планирования эксперимента;

2. каждый из приведенных факторов может быть изменен независимо от других факторов, приведенных в таблице;

3. все приведенные факторы можно измерять с помощью соответствующих приборов;

4. все приведенные факторы влияют на критерии оптимизации.

Для проведения экспериментов была сконструирована сушилка, в которой возможно менять значения факторов, которые оказывают влияние на критерий оптимизации.

В процессе проведения эксперимента необходимо получить зависимости энергоемкости сушки пророщенного зерна с одинаковой начальной и одинаковой конечной влажностью при различных величинах температуры агента сушки, скорости агента сушки.

При проведении экспериментов в сушилке пророщенного зерна включают вентилятор подачи агента сушки, вентилятор атмосферного воздуха, ИК керамические лампы, ТЭНы. Они работают в течение 20 мин. Проводят измерения температуры агента сушки, скорости движения агента сушки. Когда температура внутри сушильной камеры выйдет на рабочий режим, тогда предварительно подготовленное пророщенное зерно загружают в бункер сушилки, затем при помощи открытой дозирующей заслонки

распределяют его на ленте транспортера. Работа сушилки состоит в том, что вначале проводят нагрев сушильной камеры с помощью инфракрасных керамических ламп и конвективного способа. Затем на верхний ленточный транспортер подают и распределяют заданным слоем пророщенное зерно. Влагу с поверхности пророщенного зерна удаляют конвективным способом. После сушки пророщенное зерно обладает температурой 58-600С. Его необходимо охладить. Для этого пророщенное зерно перемещают с верхнего транспортера на нижний и направляют на него атмосферный воздух. А на верхний транспортер подают новую партию пророщенного зерна.

Критерий эффективности влагосъема при сушке пророщенного зерна. Эксперимент заключается в том, что измеряют влажность пророщенного зерна перед помещением его в сушильную камеру. Затем через равные промежутки времени (20 мин.) измеряют влажность пророщенного зерна.

Температуру прогрева пророщенного зерна в сушилке меняют с учетом применения ТЭНа и керамических инфракрасных ламп различной мощности 50, 75, 100 Вт, а также нагрева пророщенного зерна с использованием только ТЭНа. Результаты измерения влажности представлены в приложении Л.

Для определения эффективности работы сушильного оборудования Малин Н.И. [68] рекомендует выполнять расчет критерия эффективности влагосъёма по выражению:

Wo-WC

= ...с ,.,с , (3.22)

где — начальная влажность пророщенного зерна, %; - текущая влажность пророщенного зерна, %;

г

™опТ — окончательное «рекомендуемое» значение влажности высушенного зерна.

3.15 Статистическая оценка результатов эксперимента и определение значимости коэффициентов уравнения регрессии

Для проведения эксперимента необходимо осуществить перевод величин натуральных факторов в кодированные, т.е. безразмерные величины. Для определения связи между натуральными и кодированными факторами выполним расчет, применив формулу:

«<=г£т> (3-23)

где Xi - натуральное значение 1-го фактора;

Хш - натуральное значение 1-го фактора на нулевом уровне;

АХ1 - интервал варьирования 1-го фактора.

Чтобы провести эксперимент задались матрицей планирования. Нами выбраны два независимых фактора, значения которых варьируются на трех уровнях.

Необходимое количество экспериментов определяем по выражению:

N = тк, (3.24)

где т - число уровней варьирования по каждому фактору; к - число факторов.

Эксперимент, который реализован в данной работе имеет вид 32 [159164].

В таблице 3.7 приведена матрица планирования эксперимента. Таблица 3.7 - Матрица планирования эксперимента

Обозначение Х1 Х2

1 +1 +1

2 -1 -1

3 0 0

4 +1 -1

5 -1 +1

6 0 +1

7 0 -1

8 +1 0

9 -1 0

В матрице каждая строка соответствует отдельному эксперименту. При проведении каждого эксперимента независимые факторы фиксировали на необходимых уровнях.

При проведении математической обработки результатов экспериментов использовали методики, изложенные в литературе [162-166, 169, 178].

3.16 Общее устройство и принцип работы экспериментальной сушилки пророщенного зерна

Пророщенное зерно представляет собой неоднородный продукт, состоящий из зерновки и ростка [16, 17]. Для сушки такого продукта необходимо использовать несколько способов подведения теплоты: инфракрасным излучением и дискретным конвективным способом [120- 122].

На рисунке 3.18 представлена экспериментальная сушильная установка для пророщенного зерна.

8 3 4-26

1 - Корпус; 2 - загрузочная горловина; 3 - вал транспортера; 4 - привод; 5 - выгрузная горловина; 6 - заслонка загрузочная; 7 - труба для удаления отработанного атмосферного воздуха; 8 - труба для удаления отработанного горячего воздуха; 9 - отсек для тепловой пушки и вентилятора атмосферного воздуха. Рисунок 3.18 - Экспериментальная сушильная установка для пророщенного зерна

Сушильная камера экспериментальной сушилки пророщенного зерна с подводом тепловой энергии инфракрасным и дискретным конвективным способами изображена на рисунке 3.19.

12 3 4 5

1 - Крепление; 2 - стенка сушильной камеры; 3 - метеостанция Thermo hygrometer DC 105; 4 - транспортер ленточный; 5 - лампа ИК керамическая. Рисунок 3.19 - Сушильная камера сушилки пророщенного зерна Тепловая пушка и вентилятор атмосферного воздуха, которые

установлены в экспериментальной сушилке пророщенного зерна изображены

на рисунке 3.20.

1

1 - Тепловая пушка; 2 - вентилятор атмосферного воздуха.

Рисунок 3.20 - Сушилка пророщенного зерна

Выводы

В разделе представлены следующие методики, которые позволят определить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров предложенной сушилки пророщенного зерна: методика определения истинной плотности непророщенного и пророщенного зерна; методика определения коэффициентов теплового излучения непророщенного и пророщенного зерна; методика определения начальной и конечной влажности пророщенного зерна; методика определения равномерности высыхания пророщенного зерна; методика определения температуры сушильного агента и атмосферного воздуха, поступающего в сушильную и охладительную камеры; методика определения скорости сушильного агента и атмосферного воздуха, движущегося в сушильной и охладительной камерах; методика выбора вида и мощности инфракрасных ламп, используемых для сушки пророщенного зерна; методика определения высоты подвеса инфракрасных керамических ламп, используемых для сушки пророщенного зерна; методика определения тепловой энергии, выделяемой инфракрасными керамическими лампами для сушки пророщенного зерна и способов подачи тепловой энергии; методика определения режимов работы источников тепловой энергии; методика определения дискретного режима работы источников тепловой энергии; методика определения толщины слоя пророщенного зерна, находящегося на ленте транспортера; методика определения температуры слоя пророщенного зерна; методика определения энергетических показателей сушилки пророщенного зерна; методика оценки показателей внешнего вида и структуры пророщенного высушенного зерна; оценка производительности сушилки пророщенного зерна.

Установлено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на энергоемкость сушки пророщенного зерна, являются: средняя скорость движения сушильного агента, V*:, м/с; средняя температура сушильного агента, Тс, 0С.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе представлены результаты проведенных исследований по получению высушенного пророщенного зерна на ленточной сушилке с применением инфракрасного и конвективного способов нагрева.

4.1 Результаты определения истинной плотности непророщенного и

пророщенного зерна

Согласно разделу 3.3 методики проведения экспериментов, в результате проведенного измерения определили значения истинной плотности пророщенного зерна [97].

Провели экспериментальные исследования на непророщенных и пророщенных зернах ячменя. Отметим, что среднее значение истинной плотности непророщенного зерна ячменя составляет рИ Н Я = 1150,7-1210 кг/м3. Высушенное пророщенное зерно изображено на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Высушенное пророщенное зерно Среднее значение истинной плотности пророщенного зерна ячменя составляет рИ П Я = 668-728 кг/м3.

Провели экспериментальные исследования на непророщенных и пророщенных зернах пшеницы. Отметим, что среднее значение истинной

плотности непророщенного зерна пшеницы составляет рИ Н П = 1250-1325 кг/м3.

Среднее значение истинной плотности пророщенного зерна пшеницы составляет рИ П П = 727-810 кг/м3.

4.2 Результаты определения коэффициентов теплового излучения непророщенного и пророщенного зерна

Согласно разделу 3.4 методики проведения экспериментов, в результате измерения определили значения степени черноты пророщенного зерна, а также количество теплоты, которое пророщенное зерно отдает излучением.

В таблице Ж.1 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по измерению температуры и расчета степени черноты, и теплового потока непророщенного зерна пшеницы. За время проведения эксперимента среднее значение степени черноты непророщенной пшеницы равно 0,905.

В таблице Ж.2 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по измерению температуры и расчета степени черноты и теплового потока пророщенного зерна пшеницы. За время проведения эксперимента среднее значение степени черноты пророщенной пшеницы равно 0,739.

В таблице Ж.3 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по измерению температуры и расчета степени черноты и теплового потока непророщенного ячменя. За время проведения эксперимента среднее значение степени черноты непророщенного ячменя равно 0,879.

В таблице Ж.4 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по измерению температуры и расчета степени черноты и теплового потока пророщенного зерна ячменя. За время проведения

эксперимента среднее значение степени черноты пророщенного ячменя равно 0,746.

Графическое отображение степени черноты поверхности пророщенной пшеницы, непророщенной пшеницы, пророщенного ячменя, непророщенного ячменя приведено на рисунке 4.2.

1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000

0.905

0,379

0,739 0,746

МП

Степень черноты Степеничерно7ы Степень черноты Степени черноты

поверхности не поверхности поверхности поверхности

пророщенной гсророшеннок непророщенного пророщенного

пшеницы пшеницы ячменя ячменя

Рисунок 4.2 - Сравнение степени черноты поверхности пророщенной пшеницы, непророщенной пшеницы, пророщенного ячменя, непророщенного ячменя

На представленном рисунке видно, что у непророщенного ячменя степень черноты ниже, чем у непророщенной пшеницы, и равны они соответственно 0,879 и 0,905. Сравнивая степень черноты пророщенного зерна, можно отметить, у пророщенной пшеницы величина несколько меньше и составляет 0,739, против 0,746 у пророщенного ячменя.

В таблице Ж.5 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по определению теплового потока, который получает непророщенное зерно пшеницы при различных температурах излучателя Тизл, К.

С увеличением температуры излучателя с 321,15 до 377,15 К происходит увеличение теплового потока, который получает непророщенное зерно пшеницы, с 0,163 Вт до значения 0,754 Вт.

В таблице Ж.6 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по определению теплового потока, который получает

пророщенное зерно пшеницы при различных температурах излучателя ТИЗЛ, К.

С увеличением температуры излучателя с 321,15 до 377,15 К происходит увеличение теплового потока, который получает пророщенное зерно пшеницы, с 0,113 Вт до 0,542 Вт.

В таблице Ж.7 приложения Ж записаны результаты проведенных экспериментов по определению теплового потока непророщенным зерном ячменя при различных температурах излучателя ТИЗЛ, К.

С увеличением температуры излучателя с 321,15 до 377,15 К происходит увеличение теплового потока, который получает непророщенное зерно ячменя, с 0,159 Вт до 0,657 Вт.

В таблице Ж.8 приложения Ж записаны результаты расчета проведенных экспериментов по определению теплового потока пророщенным зерном ячменя при различных температурах излучателя ТИЗЛ, К.

С увеличением температуры излучателя с 321,15 до 377,15 К происходит увеличение теплового потока, который получает пророщенное зерно ячменя, с 0,128 Вт до 0,421 Вт.

Зависимость теплового потока для пророщенного и непророщенного зерна в зависимости от температуры излучателя представлено в таблицах Ж.5- Ж.8 приложения Ж и приведено на рисунке 4.3.

• ••ж»••Тепловой поток непророщенной пшеницы ' Тепловой поток пророщенной пшеницы — «Тепловой поток непророщенного ячменя ^^ • Тепловой поток пророщенного ячменя

Рисунок 4.3 - Зависимости теплового потока, который получает зерно от

температуры излучателя

Из представленной зависимости теплового потока непророщенного и пророщенного зерна ячменя и пшеницы, которые были определены при температурах излучателя от 321,15 К до 377,15 К (шаг измерений составлял 10°), наибольшее значение теплового излучения зарегистрировано у непророщенной пшеницы при максимальной температуре излучателя 377,15 К и составило 0,754 Вт. Наименьшее значение теплового излучения было зарегистрировано у пророщенной пшеницы - 0,113 Вт при минимальной температуре излучателя 321,15 К.

4.3 Результаты определения начальной влажности пророщенного зерна

Начальную влажность пророщенного зерна определяли согласно методике, изложенной в разделе 3.5. Пророщенное зерно взвешивали на весах (рисунок 3.3, 3.4), записывали его массу.

Согласно представленной ранее методике при определении влажности пророщенного зерна, которое загружали в бункер сушилки, получили значение 54-56 %.

4.4 Результаты определения конечной влажности пророщенного зерна

Конечную влажность после сушки пророщенного зерна определяли согласно методике, изложенной в разделе 3.6. После проведенной сушки (после выгрузки из сушилки) значение конечной влажности составило 13,714,2%. Значения конечной влажности высушенного пророщенного зерна, полученные с использованием прибора для определения влажности зерна М07822, изображенного на рисунке 3.5, показали 13,2-13,9%. Т.е. значения влажности, полученные путем выпаривания влаги в сушильном шкафу, и определения влажности путем использования прибора М07822 совпадают. Поэтому при проведении экспериментов для определения конечной влажности пророщенного зерна можно использовать прибор для определения

влажности зерна М07822.

4.5 Результаты определения равномерности высыхания

пророщенного зерна

Равномерность высыхания пророщенного зерна определяли согласно методике, изложенной в разделе 3.7. При сушке пророщенного зерна только с использованием конвективного способа подведения тепловой энергии влажность ростков составила 13,5-14,2%, влажность зерновок составила 15,516,2%.

При сушке пророщенного зерна с подведением тепла инфракрасными керамическими лампами и дискретным конвективным способом влажность ростков составила 13,2-14,2%, влажность зерновок составила 13,5-14,2%.

4.6 Результаты определения температуры сушильного агента и атмосферного воздуха, поступающего в сушильную и

охладительную камеры

Температуру сушильного агента и атмосферного воздуха, поступающего в сушильную и охладительную камеры, определяли согласно методике, изложенной в разделе 3.8. Значение температуры горячего воздуха на входе в сушильную камеру составило 60-620С. Температура теплоносителя, который выходит из камеры сушки равна 41-430С. Температура пророщенного зерна на ленте транспортера под лампами составила 58-600С. Температура атмосферного воздуха, который входит в камеру охлаждения, равна 23,8-24,20С, а температура воздуха, выходящего из камеры охлаждения, равна 25-26,50С. Измерения проведены при влажности воздуха 41-43%.

4.7 Результаты определения скорости движения сушильного агента и атмосферного воздуха в сушильной и охладительной камерах

Скорость движения сушильного агента и атмосферного воздуха определяли согласно методике, изложенной в разделе 3.9. Получили значение скорости движения сушильного агента на входе в сушильную камеру 3,9-4,2 м/с. При выходе отработанного сушильного агента из сушильной камеры в атмосферу его скорость движения составила 0,3-0,5 м/с. Значение скорости движения атмосферного воздуха на входе в камеру охлаждения 3,8-4,0 м/с. При выходе атмосферного воздуха из камеры охлаждения в атмосферу его скорость движения составила 0,4-0,6 м/с.

4.8 Результаты экспериментальных исследований энергетических показателей процесса сушки пророщенного зерна

Измерения затрат энергии, которые оказывают влияние на энергоемкость процесса сушки выполнили согласно методике, приведенной в разделе 3.11. Величина силы тока в одной фазе однофазной цепи, к которой были подключены инфракрасные керамические лампы обогрева, тепловая пушка, вентилятор, привод составляла 2,64 А. Напряжение в сети составляло 220 В. Часовая мощность, потребляемая из сети, составила 0,58 кВт ч. За время сушки 2,33 часа энергоемкость составила 1351,4 Вт ч.

Если в течение всей продолжительности сушки постоянно работают ТЭН, вентилятор и ИК керамические лампы, то потребление электроэнергии будет постоянное и сила тока будет постоянной. Тогда удельные затраты электроэнергии при сушке пророщенного зерна определим по выражению (3.18).

По результатам проведения отсеивающих экспериментов установлено, что влага находится на поверхности ростков и зерновки. В начале сушки пророщенного зерна тепло к зерновке подводят ИК излучением, а влагу

удаляют атмосферным воздухом, затем конвективным способом, при этом влага испаряется с поверхности зерновки и ростка. Затем, чтобы влагу можно было испарить с поверхности зерновки и ростка, её необходимо подтянуть к поверхности из внутренних слоев, для этого необходимо некоторое время осуществлять только прогрев. Прогрев зерновки и ростка в начале сушки осуществляем ИК излучением и конвективным способом, затем подведение тепловой энергии осуществляем только ИК керамическими лампами, а ТЭН с вентилятором включаем периодически для удаления влаги с поверхности зерновки и ростка. Удаление влаги с поверхности пророщенного зерна вначале осуществляли только вентилятором.

Энергоемкость сушки пророщенного зерна с постоянным режимом работы инфракрасных керамических ламп, ТЭНа и вентилятора составила 3,6-3,88 кВт ч/кг и дискретным режимом работы ТЭНа и вентилятора - 2,72,8 кВт ч/кг. Определено, что во втором случае происходит снижение энергоемкости сушки на 25-27,8 %.

4.9 Результаты оценки производительности сушилки пророщенного зерна

Измерения производительности сушильной установки выполняли согласно методике, приведенной в разделе 3.13. Начальная влажность пророщенного зерна составляла 54-56%. Начальная масса загруженного на ленту пророщенного зерна составляла 1,2 кг, конечная масса после сушки составила 0,63 кг, продолжительность сушки пророщенного зерна составила 8400 сек. Производительность сушильной установки по высушенному пророщенному зерну составила 0,27-0,3 кг/ч. При этом количество удаленной влаги составило 0,57 кг, скорость сушки составила 0,0000678 кг/сек. Конечная влажность пророщенного зерна после сушки составила 13,5-14,2%.

4.10.1 Результаты экспериментальных исследований по выбору вида и мощности инфракрасных ламп, используемых для сушки пророщенного зерна

Выбор инфракрасных ламп проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.1. До включения инфракрасной лампы накаливания и инфракрасных керамических ламп температура их поверхностей составляла у лампы накаливания 25,40С и керамических ламп 25,10С. При проведении экспериментов начальная температура пророщенного зерна, которое находилось на ленте транспортера, составляла 25,40С.

На рисунке 4.4 представлена температура нагрева поверхности инфракрасной лампы от длительности прогрева.

После включения инфракрасной лампы накаливания мощностью 150 Вт через 5 минут, 10, 15, 20 минут после начала нагрева температура на поверхности лампы составила 2100С, 253, 258, 2580С.

350

0

0 5 1С 15 20 25

Продолжительность прогрева, мин

■ ИКлампа накаливания 150 Вт —Ж—^ К лампа керамическая 50 Вт А ИК лампа керамическая 75 Вт ~К К лампа керамическая 100 Вт

Рисунок 4.4 - Температура нагрева поверхности инфракрасной лампы

от длительности прогрева После включения инфракрасной керамической лампы мощностью 50 Вт через указанные промежутки времени после начала нагрева температура на поверхности лампы составила 170,50С, 250,4, 290, 2900С.

После включения инфракрасной керамической лампы мощностью 75 Вт через указанные промежутки времени после начала нагрева температура на поверхности лампы составила 212,20С, 283, 316,5, 3170С.

После включения инфракрасной керамической лампы мощностью 100 Вт через указанные промежутки времени после начала нагрева температура на поверхности лампы составила 240,50С, 307,4, 328, 328,50С.

Проанализировав представленную информацию, можем отметить, что инфракрасная лампа накаливания за 5 минут разогревается до рабочей температуры. Для выхода на рабочую температуру инфракрасные керамические лампы нагреваются 20 минут, но нагреваются до более высоких температур по сравнению с инфракрасной лампой накаливания.

На рисунке 4.5 представлена зависимость температуры пророщенного зерна под инфракрасной лампой от длительности прогрева.

1

■ж

20

ИК лампа накаливания 150 Вт ИКла.мпа керамическая 50 Вт

^^—к'К лампа керамическая 75 Вт —Ф— ИК лампа керамическая 100 Вт

Рисунок 4.5 - Температура нагрева пророщенного зерна под инфракрасной лампой от длительности прогрева

Анализируя указанный отрезок времени, отметим, что при нагреве пророщенного зерна инфракрасной лампой накаливания мощностью 150 Вт температура пророщенного зерна под лампой увеличилась соответственно до 1070С, 110, 110,2, 110,50С. Полученные результаты экспериментов указывают на то, что инфракрасная лампа накаливания нагревалась за 5 минут и также быстро пророщенное зерно на транспортере нагревала до температуры 107-

1100С. Инфракрасная лампа накаливания светила направленным потоком, нагревая поверхность под собой. При резком нагреве поверхность пророщенного зерна трескалась, теряя товарный вид.

Пророщенное зерно, которое находилось на транспортере в стороне от центра лампы, имело более низкую температуру, чем то, которое находилось ближе к центру лампы, поэтому температура нагрева пророщенного зерна на ленте транспортера различна. Если количество подведенной теплоты различно, то и скорость сушки пророщенного зерна, которое лежит под инфракрасной лампой и в стороне, будет иметь разные значения.

При нагреве пророщенного зерна инфракрасной керамической лампой мощностью 50 Вт температура пророщенного зерна под лампой увеличилась соответственно до 41,30С, 46,2, 47,8, 48,20С.

При нагреве пророщенного зерна инфракрасной керамической лампой мощностью 75 Вт температура пророщенного зерна под лампой увеличилась соответственно до 46,70С, 52,2, 58, 58,70С.

При нагреве пророщенного зерна инфракрасной керамической лампой мощностью 100 Вт температура пророщенного зерна под лампой увеличилась соответственно до 50,30С, 58,2, 64,7, 64,80С.

Обобщив полученный результат, можем отметить, что инфракрасные керамические лампы, имеющие мощности 50, 75 и 100 Вт, за 20 минут нагревали пророщенное зерно до температур соответственно 48,2, 59,7 и 64,80С. Скорость испарения влаги определяется скоростью поднятия влаги из внутренних объемов пророщенного зерна к поверхности. В нашем случае разницы в скорости сушки с инфракрасными керамическими лампами 75 Вт и 100 Вт нет. Но, используя инфракрасную керамическую лампу 100 Вт, возрастала энергоемкость процесса сушки. Поэтому для работы в предложенной сушилке выбрали инфракрасную керамическую лампу мощностью 75 Вт.

4.10.2 Результаты экспериментальных исследований по определению высоты подвеса инфракрасных ламп, используемых для

сушки пророщенного зерна

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.2. По результатам проведения экспериментальных исследований установили, что для инфракрасных керамических ламп при высоте подвеса 5 см в точках А, Б и В значения температур соответственно составили 62,8, 61,2 и 63,30С. При высоте подвеса 7 см в точках А, Б и В значения температур соответственно составили 60,5, 60,3, 61,60С. При высоте подвеса 9 см в точках А, Б и В значения температур соответственно составили 57,3, 55,5, 57,80С. Поэтому для обеспечения максимальной температуры сушки, при которой не происходило бы растрескивания пророщенного зерна и ухудшения товарного вида, высота подвеса ламп должна быть 7 см. Повышение температуры в зоне В можно объяснить тем, что происходит пересечение тепловых потоков от находящихся рядом ламп. Инфракрасные керамические лампы с круглым основанием обеспечивают равномерное распределение тепла по всей поверхности ленточного транспортера.

4.10.3 Результаты экспериментальных исследований по определению тепловой энергии, количества инфракрасных ламп, которые будут

расположены над ленточным транспортером, и способов подачи

тепловой энергии

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.3.

Зависимость влажности пророщенного зерна от количества инфракрасных ламп и способов подведения тепла представлена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Зависимость влажности пророщенного зерна от количества инфракрасных ламп и способов подведения тепла Во всех экспериментах при сушке пророщенного зерна инфракрасные керамические лампы и ТЭН с вентилятором работали постоянно.

В первом опыте нагрев пророщенного зерна и удаление влаги осуществляли только конвективным способом, используя ТЭН и вентилятор, длительность сушки составила 210-220 мин. Энергоемкость сушки пророщенного зерна составила 4,0-4,2 кВт ч/кг. Производительность предложенной сушилки составила 0,17-0,19 кг/ч.

Во втором опыте пророщенное зерно в сушилке нагревали тремя инфракрасными керамическими лампами, использовали лампы мощностью 75 Вт и частично ТЭН с вентилятором (конвективный способ). Удаление влаги осуществляли конвективным способом. Длительность сушки пророщенного зерна до конечной влажности 13-14% составила 170-180 мин. Энергоемкость сушки составила 4,3-4,55 кВт ч/кг. Производительность предложенной сушилки составила 0,21-0,23 кг/ч.

В третьем опыте пророщенное зерно в сушилке нагревали четырьмя инфракрасными керамическими лампами, использовали лампы мощностью 75 Вт и частично ТЭН с вентилятором (конвективный способ). Удаление влаги осуществляли конвективным способом. Длительность сушки до конечной влажности 13-14% составила 130-140 мин. Энергоемкость сушки

составила 3,6-3,88 кВт ч/кг. Производительность предложенной сушилки составила 0,27-0,3 кг/ч.

Результаты расчета полученной тепловой энергии с учетом способа ее подведения и мощности ИК керамических ламп представлены в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Результаты расчета полученной тепловой энергии с учетом способа ее подведения и мощности ИК керамических ламп

№ Мощность Продолжительно Общая Продолжительн Полученн Тепло

Экс конвективн сть сушки мощность ость сушки ИК ая вой

пер ая, Вт конвективным ИК керамическими тепловая КПД

име способом,сек керамически лампами, сек энергия,

нта х ламп, Вт Дж

1 600 13200 - - 7920000 0,53

2 600 10800 225 10800 8910000 0,47

3 600 8400 300 8400 7560000 0,55

По результатам проведенных расчетов можно отметить, что максимальное количество тепла 8910000 Дж получили во втором эксперименте, но тепловой КПД работы сушилки был минимальным 0,47. Наибольший тепловой КПД равен 0,55, был в третьем эксперименте.

Из всех рассмотренных способов подведения тепла и количества инфракрасных ламп, использованных в сушилке, очевидно, что с точки зрения наименьшей энергоемкости процесса, наибольшей производительности и максимального теплового КПД необходимо обеспечивать подведение тепловой энергии инфракрасным и конвективным способами. В предложенной сушилке необходимо установить четыре инфракрасные керамические лампы мощностью 75 Вт каждая.

4.10.4 Результаты экспериментальных исследований по определению режимов работы источников тепловой энергии

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.4. Тепловую энергию в сушильную камеру подавали инфракрасным и конвективным способами.

Провели два эксперимента. В первом эксперименте длительность сушки до конечной влажности 13-14% составила 130-140 мин. Энергоемкость сушки составила 3,0-3,1 кВт ч/кг. Производительность предложенной сушилки составила 0,27-0,3 кг/ч.

Во втором эксперименте длительность сушки до конечной влажности 13-14% составила 130-140 мин. Энергоемкость сушки составила 2,7-2,85 кВт ч/кг. Производительность предложенной сушилки составила 0,27-0,3 кг/ч. По результатам проведенных экспериментов можем отметить, что во втором случае энергоемкость сушки ниже без изменения производительности и продолжительности сушки.

Результаты расчета полученной тепловой энергии с учетом дискретной работы ТЭНа с вентилятором представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты расчета полученной тепловой энергии с учетом дискретной работы ТЭНа с вентилятором

№ Мощност Продолжительно Общая Продолжительно Полученн Тепло

Экс ь сть сушки мощность сть сушки ИК ая вой

пер конвектив конвективным ИК керамическими тепловая КПД

име ная, Вт способом, сек керамически лампами, сек мощность

нта х ламп, Вт , Вт

1 600 6480 300 8400 6408000 0,65

2 600 4400 300 8400 5160000 0,81

Из двух представленных дискретных способов подведения тепловой энергии во втором эксперименте в начальное время сушки, когда влажность пророщенного зерна максимальная (54-56%) не работает ТЭН, а удаление влаги с поверхности пророщенного зерна осуществляют только потоком воздуха, создаваемого вентилятором. Поэтому уменьшена продолжительность работы ТЭНа по сравнению с первым экспериментом. Это позволило повысить тепловой КПД до 0,81. Поэтому вначале режима сушки для удаления влаги с пророщенного зерна рекомендуем использовать только работу вентилятора.

4.10.5 Результаты экспериментальных исследований по определению дискретного режима работы источников тепловой энергии

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.5.

Во всех трех экспериментах пророщенное зерно сушили до конечной влажности 13-14%.

Результаты измерений и расчетов по определению режимов работы источников тепловой энергии представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Результаты измерений и расчетов по определению режимов работы источников тепловой энергии

Результаты измерений Номер эксперимента

1 2 3

Продолжительность сушки, мин, ч; 137-143 2,28-2,38 130-140 2,17-2,33 170-180 2,83-3

Скорость сушки, кг/ч 0,235-0,25 0,235-0,25 0,19-0,21

Энергоемкость сушки, кВт ч/ кг 2,9-3,2 2,7-2,8 3,2-3,4

В первом эксперименте продолжительность сушки пророщенного зерна составила 137-143 мин. Энергоемкость сушки составила 2,9-3,2 кВт ч/кг, скорость сушки 0,235-0,25 кг/ч.

Во втором эксперименте продолжительность сушки пророщенного зерна составила 130-140 мин. Энергоемкость сушки составила 2,7-2,8 кВт ч/кг, скорость сушки 0,235-0,25 кг/ч.

При проведении третьего эксперимента получили следующие результаты. Продолжительность сушки пророщенного зерна составила 170180 мин. Энергоемкость сушки составила 3,2-3,4 кВт ч/кг, скорость сушки 0,19-0,21 кг/ч.

По результатам проведенных экспериментов можем отметить, что в третьем случае энергоемкость сушки наибольшая и составила 3,2-3,4 кВт ч/кг, скорость сушки в первом и втором эксперименте 0,235-0,25 кг/ч, что выше, чем в третьем эксперименте (0,19-0,21 кг/ч). Во втором эксперименте энергоемкость минимальная и составила 2,7-2,8 кВт ч/кг. Поэтому

предпочтительна продолжительность дискретного режима, которую принимали во втором эксперименте с учетом энергоемкости и скорости сушки.

4.10.6 Результаты экспериментальных исследований по определению толщины слоя пророщенного зерна, находящегося на ленте

транспортера

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.6. В результате проведенных экспериментов установлены энергоемкость, скорость сушки и производительность предложенной сушилки пророщенного зерна.

В таблице 4.4 представлены показатели энергоемкости, скорости сушки пророщенного зерна и производительности с учетом толщины слоя пророщенного зерна.

Таблица 4.4 - Показатели энергоемкости, скорости сушки пророщенного зерна и производительности с учетом толщины слоя пророщенного зерна

Показатели Толщина слоя пророщенного зерна на ленте, м

0,005 0,012 0,02

Энергоемкость сушки, кВт ч/кг 2,12-2,38 2,708-2,8 2,857-2,97

Скорость сушки, кг/ч 0,115-0,13 0,235-0,25 0,225-0,235

Производительность сушилки, кг/ч 0,11-0,14 0,27-0,3 0,256-0,28

Продолжительность сушки, ч 1,8-2 2,17-2,33 3,9-4,1

По результатам выполненных расчетов можно отметить, что при толщине слоя пророщенного зерна на ленте транспортера 0,012 м энергоемкость сушки принимает среднее значение 2,708-2,8 кВт ч/кг, но скорость сушки принимает наибольшее значение 0,235-0,245 кг/ч и производительность сушилки принимает наибольшее значение 0,27-0,3 кг/ ч. Поэтому при проведении дальнейших экспериментов толщину слоя пророщенного зерна на ленте транспортера принимаем 0,012 м.

л к___

у = -15193Х1 + 22,047* + 59,323 1 0,937В

у=3111,9х*-187,66* + 59,851 - _ А ^Т*.....♦.....

к

у = -7062,9** + 25,245* + 50,41.....4<.....

4.10.7 Результаты экспериментальных исследований определения температуры пророщенного зерна, находящегося в верхней

и нижней частях слоя

Экспериментальные исследования проводили согласно методике, изложенной в разделе 3.10.7. На рисунке 4.7 представлена зависимость изменения температуры в слое пророщенного зерна от толщины слоя.

и 60.5

0 111 *

О ™ 60

5 а.

- £ 59г5 |£

1

С ? 53г5

5 я

£

а. 58

1=

57г5

0 0,002 0Г004 0,006 0,008 0Г01 0,012 0,014

Толщина слоя пророщенного зерна, м

+ 1-е измерение А 2-е измерение

* 3-е измерение ........Полиномиальная (1-е измерение)

— — - Полиномиальная {2-е иамЕрЕнне) - ■ .■■■■■■■■■■■■

Рисунок 4.7 - Зависимость изменения температуры в слое пророщенного зерна от толщины слоя

В результате проведенных измерений определили, что температура пророщенного зерна, которое расположено в верхней части слоя, составила 58,5-600С. Температура пророщенного зерна, которое расположено в нижней части слоя составила 57,7-580С. Разница температур между верхним и нижним слоями пророщенного зерна составила 1,2-1,40С.

4.11 Результаты оценки внешнего вида и структуры пророщенного высушенного зерна

Показатели структуры пророщенного и пророщенного высушенного зерна проводили по методике, которая представлена в разделе 3.12. На

рисунке 4.8 приведена фотография пророщенного зерна влажностью 54-56%, полученная с применением микроскопа Digital Microscope HIGH CLOUD-1600Х.

Рисунок 4.8 - Пророщенное зерно влажностью 54-56% На рисунках 4.9, 4.10 представлен росток и пророщенная зерновка, которые высушены конвективным способом.

Рисунок 4.9 - Росток, высушенный Рисунок 4.10 - Зерновка с

конвективным способом ростками и корешками,

высушенная конвективным

способом

В процессе сушки пророщенного зерна конвективным способом наибольшая скорость сушильного агента составляет 4,2 м/с. При дальнейшем повышении скорости сушильного агента пророщенное зерно сдувается с сушильной ленты. Нагрев зерновки происходит медленно, и влага медленно поднимается с внутренних слоев на поверхность зерновки. Поэтому внутри

зерновки сохраняется влага, а её поверхность пересыхает и приобретает темный оттенок.

На следующих рисунках 4.11, 4.12а, 4.12б изображены фотографии пророщенного зерна, сушку которого выполняли в экспериментальной сушилке с подведением тепла с помощью ИК керамических ламп и дискретным конвективным способом.

Рисунок 4.11 - Пророщенное высушенное зерно

а) б)

Рисунок 4.12 - Росток пророщенного высушенного зерна

На фотографии (рисунок 4.11, 4.12) видна сухая зерновка с ростками и корешками. В процессе подачи тепловой энергии к продукту излучением происходит нагрев пророщенного зерна, и влага с внутренних слоев поднимается на поверхность пророщенного зерна, затем конвективным способом удаляется с поверхности. При таком способе подведения тепла

структура зерновки не деформировалась, ростки не сгорели. Происходит снижение влажности пророщенного зерна в наружном и внутренних слоях.

Можем отметить, что росток обладает зеленым цветом, в процессе сушки росток не подгорел, не обуглился, не свернулся, сохранил свою структуру.

4.12 Анализ результатов многофакторного эксперимента сушки

пророщенного зерна

Использование в одной сушильной камере разных способов подведения тепловой энергии, а именно излучением и конвективным способом, позволяет высушить пророщенное зерно, состоящее из ростка и зерновки, которые отличаются между собой физико-механическими свойствами и коэффициентами теплового излучения. Из этого сделаем вывод, что использование для сушки пророщенного зерна разных способов подведения тепловой энергии позволит исключить пересушивание и последующие потери более тонкого ростка.

Влияние конструктивно-режимных параметров на энергоемкость сушки определяли с использованием методики планирования эксперимента (п. 3.14). Мощность инфракрасных керамических ламп при проведении эксперимента составляла 75 Вт. Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывали с использованием программы «Microsoft Excel».

Выполнив экспериментальные исследования согласно плана таблицы 3.7, получили результаты, которые обработали с помощью ПЭВМ. Представили уравнение регрессии, в котором учли воздействующие факторы на энергоемкость сушки. Критерии оптимизации рассчитывали согласно методик, изложенных в разделах 3.14, 3.15.

Пророщенное зерно сушили в экспериментальной ленточной сушилке. В натуральных значениях факторов уравнение регрессии имеет вид: Эсуш = 3,16155 + 0,3933 vc - 0,235 Te -0,0333 vc2 - 0,005 vc Te + 0,000317 Te 2 (4.1)

Коэффициент корреляции для представленного уравнения регрессии равен R=98,31 %.

Для определения адекватности полученной математической модели использовали критерий Фишера. Полученные расчеты показали результат FР=35,03>FТAБЛ=4,07. Выполнив сравнение расчетного и табличного критерия Фишера, можем сделать вывод, что представленная модель адекватна, коэффициенты уравнения регрессии значимы, и проведённые исследования достоверны.

Расчетная поверхность зависимости энергоемкости сушки от воздействующих факторов показана на рисунке 4.13.

■ 2,Б0-2,50 I 2,60-2,70 1 2,70-2,30 1 2,30-2,30 ■ ¿,90-5,00 ■ 1,00-1,10

Рисунок 4.13 - Поверхность отклика энергоемкости сушки от скорости движения и температуры агента сушки Анализируя представленную поверхность отклика, полученную по уравнению (4.1), можно резюмировать: минимальная энергоемкость ЭСУШ = 2,7-2,8 кВт ч/кг технологического процесса сушки пророщенного зерна возможна при дискретном включении трубчатого электронагревателя и вентилятора, чтобы удалить влагу, а также при обеспечении ТС -

температуры сушильного агента 58-600С, vc - скорости движения сушильного агента 3,8-4,2 м/с.

При повышении скорости движения сушильного агента более 4,2 м/с пророщенное зерно начинает сдувать. Поэтому ограничили максимальную скорость движения сушильного агента на входе в сушильную камеру на уровне 4,2 м/с. При превышении температуры сушильного агента более 58-600С на пророщенной зерновке начинают появляться трещины, а росток очень быстро высыхает и сворачивается. Продолжительность сушки пророщенного зерна равна 130-140 мин. Результаты расчета представлены в приложении И.

Выполнив экспериментальные исследования согласно плана таблицы 3.7, получили результаты, которые обработали с помощью ПЭВМ. Мощность инфракрасных керамических ламп при проведении эксперимента составляла 75 Вт. Представили уравнение регрессии, в котором учли воздействующие факторы на скорость сушки.

Пророщенное зерно сушили в ленточной сушилке с подведением теплоты инфракрасным излучением и конвективным способом. В натуральных значениях факторов уравнение регрессии имеет вид: Vcyш = -0,597 - 0,001 vc + 0,0226 Тс - 0,0058 vc 2 - 0,000375 vc Т - 0,000141 Тс 2, (4.2)

Коэффициент корреляции для представленного уравнения регрессии равен R=94,63 %.

Чтобы удостовериться в адекватности полученной математической модели, применили критерий Фишера. При сравнении расчетного и табличного критерия Фишера получили FР=10,58>FТAБЛ=4,07. По результатам сравнения расчетного и табличного значения критерия Фишера можно отметить, что предложенная модель адекватна, коэффициенты уравнения регрессии значимы, и выполненные исследования достоверны.

Чтобы оптимизировать режимы работы ленточной сушилки с подведением тепла инфракрасным и дискретным конвективным способами, проанализировали уравнение (4.2), сделали вывод, что наибольшая скорость

сушки пророщенного зерна в области исследуемых факторов равна 0,2350,25 кг/ч и может быть получена при: ТС - средней температуре агента сушки на входе в сушильную камеру, 58-60 0С; V*: - средней скорости движения агента сушки, 3,8-4,2 м/с. При высоте слоя пророщенного зерна на ленте транспортера h = 0,012 м. Результаты расчета представлены в приложении К.

На рисунке 4.14 приведена поверхность отклика скорости сушки пророщенного зерна с использованием предложенной сушилки от скорости и температуры сушильного агента.

Скврвг-ь лвнжс-нип сушильи ого агента,, гс, м/сен

нцдадо ■0.050.Ю . цшю,!:;. ■ СЦ ЩЮ . ЦЛ>|Д>:, .оая-аза

Рисунок 4.14 - Поверхность отклика скорости сушки от температуры и скорости движения сушильного агента

По результатам проведенных экспериментов определили, что скорость сушки пророщенного зерна составила 0,235-0,25 кг/ч, энергоемкость процесса сушки пророщенного зерна с начальной влажности 54-56% до конечной влажности 13-14% составила 2,7-2,8 кВт ч/кг. Производительность экспериментальной сушилки по высушенному материалу составила 0,27-0,3 кг/ч.

Критерий эффективности влагосъема пророщенного зерна Процесс удаления влаги из пророщенного зерна представлен в виде критерия эффективности, смысл которого заключается в определении связи

начальной влажности пророщенного зерна, конечной и текущей влажности в процессе сушки. Критерий эффективности влагосъема определяли в долях единицы согласно формуле (3.22), представленной в п. 3.14.

На рисунке 4.15 представлены зависимости эффективности сушки пророщенного зерна при подаче тепла ИК керамическими лампами и дискретным конвективным способом в сравнении с конвективной сушкой.

Ш

О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 180 200 220 Длительность сушки, мин

■ нагреватель И К керамический потребляемая мощность 50 ВтДЭН

■ нагреватель И К керамический потребляемая мощность 75 ВтДЭН » нагреватель И К керамический потребляемая мощность 100 ВтДЭН

^^ТЭН

Рисунок 4.15 - Эффективность сушки пророщенного зерна Из рисунка 4.15 можем отметить, что, выполняя сушку пророщенного зерна, при подведении тепловой энергии ИК керамическими лампами и дискретным конвективным способом, если мощности ИК керамической лампы 100 Вт, критерий эффективности КW составил 0,995 и был достигнут через 120-130 мин сушки. С уменьшением мощности ИК керамической лампы до 75 Вт и 50 Вт критерий эффективности соответственно имеет значения 0,993 и 0,991, продолжительность сушки составила 130-140 мин и 190-200 мин соответственно. При подводе тепловой энергии конвективным способом критерий эффективности сушки пророщенного зерна составил 0,969, продолжительность сушки составила 210-220 мин.

В таблице приложения Л представлена влажность пророщенного зерна в сушилке при подводе тепловой энергии инфракрасными керамическими лампами и дискретным конвективным способом (ТЭНом с вентилятором), а

также сушки пророщенного зерна с использованием только конвективного способа (ТЭН с вентилятором). Выполняли измерения влажности пророщенного зерна с периодичностью двадцать минут от 0 до 220 мин. В исследованиях использовали инфракрасные керамические лампы мощностью 50, 75, 100 Вт.

На рисунке 4.16 представлена поверхность отклика энергоемкости сушки от мощности и высоты подвеса инфракрасных керамических ламп.

■ 2,5(1-2,60 ■ 2.60-2.70 l2.7C-2.aC 2,30-2,30 ■ 2.50-3.00 13.СС-3.1С 3,10-3,20

Рисунок 4.16 - Поверхность отклика энергоемкости сушки от мощности и

Из рисунка 4.16 можем отметить, что минимальная энергоемкость процесса сушки пророщенного зерна составила, ЭСУШ = 2,7-2,8 кВт ч/кг при высоте подвеса ИК керамических ламп, Ид = 0,07-0,075 м, мощности ИК керамических ламп, РЛ = 75 Вт. При использовании ИК керамических ламп мощностью 50 Вт происходило повышение длительности сушки. Это привело к увеличению энергопотребления и энергоемкости процесса сушки.

высоты подвеса инфракрасных керамических ламп

Используя ИК керамические лампы мощностью 100 Вт длительность сушки существенно не снижалась, но возрастала энергоемкость сушки.

На рисунке 4.17 представлены кривые сушки пророщенного зерна: влажности пророщенного зерна, скорости сушки пророщенного зерна, температурная кривая пророщенного зерна.

Измерения проводили при температуре пророщенного зерна и сушильного агента 58-600С и четырех инфракрасных керамических лампах, мощность каждой составляла 75 Вт. Интервал снятия показаний составлял двадцать минут. Рассматривая кривую влажности, можно отметить, что первые двадцать минут энергия, подведенная инфракрасным способом, затрачивалась на нагрев пророщенного зерна, происходил его прогрев, причем влажность снижалась не сильно.

1

0,9

о,а I

0,7 | 0,6 £ 0,5 |

0,4 ¡о

и

0,3 ° о

0 2 * 0,1 О

130,0

—•— Кривая влажности пророщенного зерна —♦—Температура пророщенного верна, ОС

—4—Скорость сушки пророщенного зерна, М/мин

Рисунок 4.17 - Кривые сушки пророщенного зерна Затем от 20 до 100 минут после начала сушки происходило снижение влажности с 53% до 25%. Далее от 100 до 140 минут после начала сушки влажность пророщенного зерна снижалась медленнее. Рассматривая кривую температуры, можем отметить, что начальная температура пророщенного зерна составляла 22-240С. Через 20 минут после начала сушки температура пророщенного зерна возросла до 57-590С и поддерживалась на этом значении до 100 минут от начала сушки. Затем произошло постепенное снижение

содержания влаги в пророщенном зерне, и его температура начала возрастать до значения 61-630С.

Скорость сушки возрастала на протяжении сорока минут до значения 0,32-0,35 %/мин. Затем приблизительно постоянная скорость сушки 0,32-0,35 %/мин поддерживалась во времени от сорока до ста минут после начала сушки. Далее, с уменьшением влажности пророщенного зерна, скорость сушки снижалась.

Выводы

1 В результате выполненных экспериментальных исследований установлено, что пророщенное зерно обладает начальной влажностью 5456%. Для возможности хранения его необходимо высушить до конечной влажности 13-14%. Для этого необходимо обеспечить подведение тепловой энергии инфракрасным излучением и конвективным способом.

2 На основании результатов выполненных исследований можно отметить, что у непророщенного ячменя степень черноты ниже, чем у непророщенной пшеницы и равны они соответственно 0,879 и 0,905. Сравнивая степень черноты пророщенного зерна, можно отметить, что у пророщенной пшеницы величина несколько меньше и составляет 0,739, против 0,746 у пророщенного ячменя. Наибольшее значение теплового излучения зарегистрировано у непророщенной пшеницы при максимальной температуре излучателя 377,15 К и составило 0,754 Вт. Наименьшее значение теплового излучения было зарегистрировано у пророщенной пшеницы -0,113 Вт при минимальной температуре излучателя 321,15 К.

3 В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что сушка пророщенного зерна конвективным способом увеличивает энергоемкость процесса сушки и его продолжительность. Для сушки пророщенного зерна необходимо тепловую энергию подводить инфракрасным и конвективным способами. Инфракрасные керамические

лампы будут постоянно работать и прогревать пророщенное зерно внутрь на три-четыре миллиметра, и создавать внутри повышенное давление. За счет созданного повышенного давления влага движется изнутри пророщенного зерна к поверхности. Вначале для удаления влаги с поверхности пророщенного зерна необходимо включать только вентилятор, а затем ТЭН и вентилятор. Дискретно включаемые ТЭН и вентилятор обеспечивают снижение энергоемкости сушки пророщенного зерна, конвективный способ прогрева пророщенного зерна и удаление влаги с его поверхности.

4 Выполнив анализ проведенных исследований с использованием методов планирования эксперимента, получены уравнения регрессии, которые учитывают влияние режимных параметров сушилки на энергоемкость и скорость сушки. Анализируя уравнения регрессии, получили оптимальные значения режимных параметров работы сушилки.

Установили, что при постоянной работе электропотребителей энергоемкость сушки пророщенного зерна составила ЭСУШ = 3,6-3,88 кВт ч/кг в области исследованных факторов при: Тс - средней температуре сушильного агента, 58-600С; V*: - средней скорости движения сушильного агента, 3,8-4,2 м/с. При начальной влажности W1= 54-56% и конечной влажности = 13-14% длительность процесса сушки составила, Ъсуш = 130140 мин.

При подведении тепловой энергии ИК излучением и дискретным конвективным способом установили, что энергоемкость сушки пророщенного зерна составила ЭСУШ = 2,7-2,8 кВт ч/кг.

В предложенной сушилке наибольшая скорость сушки пророщенного зерна приняла значение УСУШ = 0,235-0,25 кг/ч и была получена при: ТС -средней температуре сушильного агента на входе, 58-600С; V* - средней скорости движения сушильного агента, 3,8-4,2 м/с. Толщина слоя пророщенного зерна равна И = 0,012 м. Производительность предложенной сушильной установки по высушенной массе равна WП Ч = 0,27-0,3 кг/ч. В результате проведенных экспериментов установили, что для подведения

тепловой энергии излучением необходимо использовать инфракрасную керамическую лампу. Высота установки инфракрасной керамической лампы должна составлять Ил = 0,07 м.

На основании полученных результатов исследований производителю можно рекомендовать осуществлять сушку пророщенного зерна, применяя дискретный режим работы источников конвективной тепловой энергии. Энергоемкость сушки составила ЭСУШ = 2,7-2,8 кВт ч/кг. Этого можно достичь при vc - средней скорости движения сушильного агента, 3,8-4,2 м/с; Тс - средней температуре сушильного агента, 58-600С, применении четырех инфракрасных керамических ламп мощностью по Рл = 75 Вт. При начальной влажности пророщенного зерна W1 =54-56% и конечной влажности W2 = 1314%, длительность процесса сушки составила = 130-140 мин. Разница температуры между верхним и нижним слоями пророщенного зерна составила АТэ = 1,2-1,40С.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Технико-экономический анализ эффективности применения

сушилки пророщенного зерна

Пророщенное зерно как источник ценных натуральных витаминов могут использовать в качестве кормовой добавки животным и птицы. Специалисты в своих работах отмечают полезные свойства пророщенного зерна [1, 2, 3, 8, 12]. В современном животноводстве и птицеводстве поголовье содержат безвыгульно и чтобы компенсировать отсутствие в кормах естественных витаминов выдают пророщенное зерно. Чтобы пророщенное зерно можно было сохранить на возможно длительный промежуток времени, для создания запаса, его необходимо высушить до содержания влаги не более 13-14%. Процесс сушки является одним из энергоемких при подготовке кормовых добавок. В литературе отсутствует информация по энергоемкости технологического процесса сушки пророщенного зерна. Как витаминную кормовую добавку пророщенное зерно могут использовать предприятия с количеством животных в несколько голов, так и крупные, у которых поголовье составляет десятки тысяч голов. Поэтому для обеспечения их потребностей требуются различные объемы пророщенного зерна. Чтобы рационально загрузить сушилку необходимо знать её производительность, начальное и конечное содержание влаги в пророщенном зерне, способы сушки, планируемую продолжительность сушки, энергоемкость процесса.

С увеличением производительности сушильного агрегата, а, следовательно, и количества потребляемого энергоносителя, если количество высушиваемой массы будет отклоняться от значения, указанного в технических характеристиках, то затраты могут быть значительно большими, чем те, которые заявил производитель оборудования. Если же для сушки

необходимого объема зерна использовать малопроизводительный агрегат, то это увеличит время проведения объема работ, что тоже плохо.

Производственную проверку агрегата для сушки пророщенного зерна (патенты на изобретение RU Пат 2757401, RU 2788274, RU 2825490 [120122]) проводили в хозяйствах ООО «Заречье» Грайворонского района и АО «АГРО-ОСКОЛ» Алексеевского района Белгородской области (Приложения М, Н, П, Р).

Расчетные затраты на работу сушилки пророщенного зерна определяли по методикам, изложенным в литературе [178-182].

С целью проведения сравнения работы агрегатов для сушки пророщенного зерна в таблице 5.1 представлена сушилка Prom Sushka Basic, которая к пророщенному зерну подводит тепловую энергию ИК излучением и конвективным способом и предлагаемая экспериментальная сушилка и их технические характеристики. Стоимостные показатели рассчитывались в ценах начала 2023 г.

Таблица 5.1 - Характеристики и показатели работы сушилок с инфракрасным

и конвективным способом подведения теплоты

Показатель Варианты Степень изменения показателей предлагаемой сушилки к существующей, %

Prom Sushka Basic Предлагаемая сушилка пророщенног о зерна

1 Мощность электрооборудования, кВт 7 1,96 28,00

2 Потребляемая мощность, кВт ч 5 0,58 27,29

3 Производительность по исходному пророщенному зерну, кг/ч 18 1,2 6,67

4 Начальная влажность, % 54-56 54-56 100,00

5 Конечная влажность, % 13-14 13-14 100,00

6 Длительность работы на операции, ч 4,5 2,33 51,78

7 Масса оборудования, кг 180 90 50,00

8 Стоимость 1 кВт ч электроэнергии, руб./ кВт ч 4,5 4,5 100