Критерий эффективности влагообмена между зернами

23.06.2015

В связи с широким внедрением рециркуляционных зерносушилок различных типов и разработкой новых способов рециркуляционной сушки зерна большое значение имеет изучение эффективности влагообмена между зернами различной влажности при отлежке их в бункере тепло- и влагообмена.
Количество влаги, передаваемой от сырого зерна к сухому рециркулируемому, возрастает с увеличением влажности сырого зерна. Это объясняется тем, что с увеличением влагосодержания зерна энергия связи влаги с зерном уменьшается. В связи с этим результаты исследования эффективности влагообмена, полученные при различных значениях исходной влажности сырого зерна, несравнимы между собой.
Использование метода «оптимальных конечных параметров» и, в частности, выражения (4.3) позволяет оценить эффективность влагообмена между зернами различной влажности.
При этом с целью исключения влияния разности влагосодержаний сырого зерна w0c и смеси сырого и рециркулируемого зерна wcмс можно использовать следующее выражение:

Обычно при исследованиях процесса влагообмена проводят серии опытов при меняющихся значениях влажности сырого w0c и рециркулируемого зерна, коэффициента циркуляции N (или кратности смешения n), температуры смеси зерна θсм и продолжительности отлежки т смеси сырого и рециркулируемого зерна.
При использовании для оценки эффективности процесса влагообмена коэффициента Kw (для удобства назовем его Кэв) исключается необходимость проведения опытов при меняющихся значениях влажности зерна и коэффициента циркуляции. Достаточно провести серию опытов при постоянном значении влажности компонентов смеси и коэффициента циркуляции, но при различных значениях температуры смеси зерна и продолжительности ее отлежки.
Для анализа результатов экспериментов строят кривые зависимости коэффициента эффективности влагообмена от продолжительности отлежки т при различных значениях температуры смеси зерна θсм. После обработки полученных данных определяют зависимость

Путем несложных преобразований этого выражения можно расчетным путем найти конечную влажность w2c сырого компонента смеси зерна после его отлежки в смеси с сухим рециркулируемым.
Конечную среднюю влажность рециркулируемого зерна после отлежки в смеси с сырым зерном можно определить из выражения

при условии, что все количество отдаваемой сырым зерном влаги перешло к рециркулируемому зерну.
Для подтверждения надежности описанного метода проведена обработка результатов 180 опытов, проведенных бывшим Казахским филиалом ВНИИЗ, по исследованию процесса влагообмена между зернами пшеницы различной влажности в зависимости от температуры зерна, продолжительности отлежки и коэффициента циркуляции.
Расчеты показали, что относительная погрешность рассматриваемого метода оценки эффективности влагообмена между зернами колеблется от 4,4 до 7,3 % (табл. 4.7) и находится в пределах, допустимых для инженерных расчетов. Имеющие место отклонения объясняются несовершенством методики проведения опытов, приводящей к потере влаги при разборке смеси зерна с целью последующего определения влажности его компонентов после отлежки.

Из табл. 4.7 видно, что для получения представленных в ней данных достаточно было провести всего лишь девять опытов при любой начальной влажности сырого и рециркулируемого зерна, а также коэффициента циркуляции. Для подтверждения этого приведем следующий пример. В двух опытах, которые проводились при температуре смеси зерна 50 °C и продолжительности отлежки 10 мин, брали зерно различной влажности:
1-й опыт: w0c = 30 %, wрец = 18 %, wсм с = 24 % при коэффициенте циркуляции N = 2;
2-й опыт: w0c = 36 %, wрец = 16 %, wсм с = 20 % при N = 5.
После опытов влажность сырого зерна понизилась соответственно в первом опыте до 28,34, а во втором — до 31,84 %. Подставив исходные и конечные значения влажности в выражение (4.14), получим для обоих опытов значение Кэв = 0,313.
Таким образом, описываемый метод позволяет более точно оценить влияние различных факторов (например, температуры и продолжительности отлежки смеси) на процесс влагообмена.
В частности, обработка данных, приведенных в табл. 4.7, позволила установить эмпирическую зависимость, по которой в несколько большем диапазоне температур построен график, представленный на рис. 4.9:

Таким образом, для рассматриваемого случая можно записать следующее уравнение кинетики влагообмена, согласно которому влажность исходного сырого компонента (%):

В случаях, когда из условий опыта необходимо исключить влияние температуры смеси, вместо выражения (4.14) можно использовать следующее выражение:

На основе использования критерия Кэв приведенные в табл. 4.7 данные могут быть представлены одной кривой вида Кэв = f(т), построенной на рис. 4.9 при температуре смеси, равной 55 °C.
Для всех известных способов рециркуляционной сушки с одним контуром рециркуляции наиболее эффективная продолжительность отлежки многокомпонентной смеси зерна пшеницы 10...15 мин.

За этот период при совокупном положительном действии других факторов от сырого зерна к сухому может перейти до 40% влаги от того количества, которое могло бы перейти от сырого зерна к сухому в условиях полного выравнивания их влажности, т.е. до значения wсм.
Характерной особенностью двухконтурных рециркуляционных зерносушилок с возвратом в сушилку части просушенного и охлажденного зерна является то, что на смешивание с сухим охлажденным зерном поступает более влажная смесь нагретого зерна. При этом влага, испаряющаяся с поверхности сырого нагретого зерна при его охлаждении до значения температуры смеси, конденсируется на поверхности сухого зерна, имеющего более низкую температуру.
Исследованиями установлено, что основной движущей силой процесса влагообмена в этом случае является исходная температура и степень охлаждения сырого компонента зерна. Причем за первые 2,5 мин в зерновой массе перераспределяется 71 % влаги, за 5 мин — 81, а за 10 мин — 90 % от общего ее количества, перераспределяемого за 20 мин. Следовательно, наиболее эффективно влагообмен протекает за первые 2...3 мин. И, как указывалось выше, именно в этом промежутке времени наблюдается полное выравнивание температуры компонентов смеси.
Более того, установлено, что вместимость бункера контактного тепло-и влагообмена над вторым контуром рециркуляции двухконтурной рециркуляционной зерносушилки типа «Целинная-50» и пропускная способность этого контура соответствуют времени отлежки смеси, т.е. 3...5 мин.
В практике зерносушения находит применение прием отлежки (в процессе сушки) однородного по влажности и температуре зерна. Такой прием используется, например, в зерносушилке отечественного производства У1-УКЗ-50 с каскадным нагревателем, а также при сушке высоковлажного зерна в условиях двух-трехкратного последовательного пропуска его либо через одну и ту же сушилку, либо через параллельно расположенные шахты одной и той же зерносушилки, либо через шахты двух последовательно расположенных зерносушилок.
В последние годы этот прием широко применяется при раздельной сушке зерна, когда основная масса влаги удаляется из зерна в зерносушилке при подводе агента сушки, а досушивание (после отлежки) осуществляется на установке активного вентилирования при подводе атмосферного либо искусственно охлажденного или обезвоженного воздуха. В первом случае продолжительность отлежки однородного по влажности и температуре зерна ограничивается вместимостью надсушильных бункеров и не превышает 10...15 мин, во втором случае продолжительность отлежки может достигать 6...8 ч.
В процессе такой отлежки (однородного по влажности и температуре зерна) влага из внутренних слоев отдельных зерновок диффундирует к их поверхности, которая к этому моменту обезвожена, т. е. зерно как бы отпотевает. В результате последующие приемы обезвоживания такого зерна (см. рис. 4.2) существенно интенсифицируются, что способствует значительному снижению затрат тепловой энергии на сушку.
Оптимальная продолжительность отлежки однородного по влажности и температуре зерна может быть установлена лишь на основе сравнения эффективности последующих приемов его обезвоживания.