Особенности конструкции машин и аппаратов для сушки и гидротермической обработки зерна
Как следует из изложенного выше материала, внутренний перенос тепла и влаги в зерне имеет характерные особенности, определяемые сложной формой, анатомическим строением зерновки и неравномерностью распределения химических веществ по сечению зерна, а также физиологическими потребностями его как живого организма. Установлено также, что особенности тепло-влагопереноса и особенности преобразования различных свойств зерна достаточно тесно взаимосвязаны.
При построении процесса тепловой или же воднотепловой обработки зерна технолог решает различные задачи в зависимости от поставленной конечной цели. Если это сушка, то конечная цель заключается в снижении влажности зерна до значения, равного параметрам внешней среды в период последующего хранения зерна. При этом важно быстро извлечь влагу при условии максимально возможного использования энергии непосредственно на этот процесс. Таким образом, требуется обеспечить высокую интенсивность внутреннего влагопереноса на протяжении всего периода нахождения зерна в сушильном аппарате. Это является основным условием экономичности процесса сушки.
При гидротермической обработке зерна также требуется поддерживать интенсивность этого процесса на высоком уровне. Однако в этом случае движение влаги имеет различное направление; вначале происходит ее проникание внутрь зерна, а на заключительном этапе может появиться необходимость частично переместить влагу из эндосперма в оболочки, с тем чтобы обеспечить ее дифференцированное распределение. Высокая интенсивность процесса переноса влаги при гидротермической обработке выполняет не столько экономическую, сколько технологическую задачу: чем выше эта интенсивность, тем значительнее изменения технологических свойств зерна.
Процессы переноса тепла и влаги в гидрофильных материалах взаимосвязаны. Для зерна эта взаимосвязь выражена прежде всего в том, что коэффициент диффузии влаги имеет высокую зависимость от температуры. Повышение или снижение ее приводит к резкому изменению интенсивности влагопереноса. Ho развитие полей влагосодержания и температуры в единичном зерне происходит независимо, причем второе опережает первое по скорости в 10в3—10в4 раз, что следует из экспериментально установленной величины критерия Лыкова Lu.
Таким образом, условия ведения процесса сушки зерна или же гидротермической обработки требуют: обеспечения высокой интенсивности внутреннего влагопереноса, что необходимо для высокой производительности занятых в этих процессах аппаратов, а также для достижения заданной степени изменения технологических свойств зерна; быстрого прогрева зерна до заданной температурьте тем чтобы сразу же, в самом начале процесса, обеспечить высокое значение коэффициента диффузии влаги.
В настоящее время в производственных условиях применяют различные типы зерносушилок и аппаратов для гидротермической обработки зерна. При этом используют конвективный и кондуктивный способы теплопередачи, а также нагрев зерна насыщенным паром посредством подачи его непосредственно в зерновой слой. В большинстве случаев используют аппараты непрерывного действия, но применяют и аппараты периодического действия, как, например, пропариватель Неруша.
Существенным недостатком большинства производственных аппаратов для гидротермической обработки зерна являются их невысокая производительность и низкий коэффициент полезного использования тепла. В особенности это относится к воздушно-водяным мельничным кондиционерам, процесс обработки зерна в которых очень сложен.
По технологической схеме зерно в кондиционер поступает после моечной машины. В первой секции кондиционера происходит его,подогрев; тепло передается зерну от батареи водяных радиаторов, установленных по высоте нагревательной секции в шахматном порядке. Вследствие низкой теплопроводности зернового слоя прогрев его до заданной температуры происходит в течение 15—20 мин. Считается, что разогрев зерна сопровождается интенсификацией переноса влаги из поверхностных слоев зерна в эндосперм; видимо, это отвечает действительности.
В следующей секции зерно обрабатывается нагретым воздухом, вследствие чего поверхностные слои его обезвоживаются. Поэтому секция получила название сушильной. Задача этого этапа технологического процесса в кондиционере состоит в удалении излишней влаги из зерна. Кроме того, считается, что снижение влажности оболочек вызовет перенос влаги из внутренней области зерна наружу, что будет способствовать разрыхлению эндосперма.
Третья секция по конструкции аналогична первой, но зерно в нее поступает прогретым до заданной температуры. В секции осуществляется тепловая обработка зерна. Поэтому она получила название секции кондиционирования. Это название следует признать условным, так как все секции кондиционера предназначены для воздействия на свойства зерна — исключение любого этапа вызовет нежелательные последствия.
После тепловой обработки происходит охлаждение зерна потоком холодного воздуха. Из кондиционера зерно поступает в закрома для отволаживания.
Примерный график изменения температуры зерна при обработке мягкой пшеницы в воздушно-водяном кондиционере ЗК-10 показан на рисунке 84. Расположение коллекторов для подвода воздуха условно показано с одной стороны аппарата. Сплошная линия графика соответствует обработке зерна в кондиционере ЗК-10 обычной конструкции, а пунктирная — случаю, когда зерно предварительно нагревают в паровой колонке (или паровом шнеке), установленной над кондиционером. Подобное усовершенствование аппарата осуществлено на Новомосковском мелькомбинате.
Предварительный нагрев зерна имеет значительные преимущества, так как уже в первой нагревательной секции в полной мере развивается весь комплекс сложных процессов, определяющих преобразование физикохимических, биохимических и технологических свойств зерна. Особенно важно то, что при этом производительность кондиционера может быть существенно повышена. Учитывая это, фирма «Бюлер» серийно выпускает в настоящее время воздушно-водяные кондиционеры с паровым шнеком для предварительного нагрева зерна.
Таким образом, процесс обработки зерна в воздушноводяном кондиционере многоступенчатый. Последовательность операций в нем установлена эмпирически и теоретического обоснования в полной мере пока что не имеет.
Связано это в первую очередь с отсутствием подробных сведений о взаимосвязи исходных физико-химических, структурно-механических и других свойств данной партии зерна и необходимых параметров режима его обработки. Дальнейшее изучение этой взаимосвязи позволит разработать действительно оптимальный режим «горячего» кондиционирования зерна, обладающего данными свойствами. Кроме того, эти сведения необходимы также для интенсификации процесса обработки зерна в кондиционере, т. е. повышения его производительности, так как она в настоящее время лимитирует производительность подготовительного отделения мельницы.
В аппарате ACK для скоростного кондиционирования зерна насыщенный пар под давлением 5—7 ат (избыточное давление 5—7*10в5 Н/м2) подается непосредственно в зерновой слой, проходящий по шнеку специальной конструкции. В результате этого процесс внутреннего тепло-влагопереноса характеризуется высокой интенсивностью. Проникание влаги в зерно, распределение ее по всему сечению зерновки происходит в течение 30—40 с; именно этой продолжительностью и ограничен период обработки зерна паром в аппарате АСК. Затем зерно темперируют, охлаждают в моечной машине, удаляют поверхностную влагу во влагоснимателе и отволаживают в закромах. Роль каждого из этих процессов определена не полностью. Считают, что наибольшее влияние на свойства зерна оказывают пропаривание и мойка. В первом случае зерно испытывает воздействие струи пара, в результате чего влагосодержание и температура его быстро возрастают; дополняющее на этом этапе темперирование закрепляет происшедшие изменения свойств зерна. Затем нагретое до температуры 45—55°С зерно попадает в ванну моечной машины и быстро охлаждается до 25—30°С. Это влечет за собой резкую деформацию поверхностных слоев зерна. В результате образуются сети микротрещин в субалейроновом слое, что приводит к повышенному извлечению низкозольного эндосперма, т. е. к повышению общего выхода муки и высоких сортов ее.
Однако эти рассуждения основаны на предположительном рассмотрении причин изменения технологических свойств зерна при скоростном кондиционировании. Прямого исследования воздействия этого метода на микроструктуру зерна в необходимом объеме не проведено.
Итак, обеспечение высокой интенсивности внутреннего переноса тепла и влаги приводит к достаточно эффективному воздействию на мукомольные свойства зерна.
Дальнейшее совершенствование процессов гидротермической обработки зерна и обслуживающих этот процесс аппаратов требует тщательного изучения конкретных изменений в зерне в зависимости от степени изменения влагосодержания, температуры и других факторов.