Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние технологии сушки зерна и методы повышения ее эффективности 12
1.1. Основные этапы развития технологии зерносушения 12
1.2. Характеристика специфических свойств зерна как объекта сушки 18
1.2.1 Единичное зерно как объект сушки 19
1.2.2 Зерновая масса как объект сушки 21
1.2.3 Влагосорбционные свойства зерна 22
1.2.4 Теплофизические свойства зерна 25
1.3. Физико-химические и биохимические изменения в зерне при тепловой сушке и их последствия 27
1.4. Практика повышения тепловой экономичности сушки зерна 32
1.5. Проблемы экологической безопасности сушки зерна 36
1.6. Обоснование задач исследования и методов их решения 42
Глава 2. Классификация тепловых технологий зерносушения как систем 49
2.1. Технология сушки зерна как система 49
2.2. Классификация тепловых технологий зерносушения 53
Глава 3. Экспериментально-аналитическое исследование кинетики сушки зерна 67
3.1. Методика исследования и экспериментальная установка 67
3.2. Кинетические закономерности процесса прямоточной сушки зерна разных культур при различных температурных режимах 76
3.3. Исследование комплексного влияния температуры и влагосодержания агента сушки на кинетику процесса 82
3.4. Кинетика сушки зерна, предварительно нагретого агентом разного влагосодержания 84
3.5. Кинетика рециркуляционной сушки зерна при пониженных температурных режимах 92
3.6. Исследование температурного поля гравитационно движущегося слоя высушиваемого зерна 96
3.7. Исследование связи между тепло- и влагопереносом в процессе сушки зерна 103
3.8. Анализ взаимосвязи процессов внешнего и внутреннего влагопереноса при сушке зерна 108
3.9. Кинетический расчет длительности сушки зерна 113
Глава 4. Влияние способов и режимов сушки на характер изменения технологических свойств зерна 123
4.1. Методика комплексной оценки качества высушиваемого зерна 123
4.2. Влияние температурных режимов на технологические свойства высушиваемого зерна разных культур 132
4.3. Комплексное влияние температуры и влагосодержания сушильного агента на технологические свойства высушиваемого зерна 155
4.4. Влияние предварительного нагрева зерна и режимных параметров процесса на технологические свойства высушиваемого зерна 162
4.4.1. Влияние прямоточной сушки с предварительным нагревом зерна агентом разного влагосодержания на технологические свойства зерна 163
4.4.2. Влияние рециркуляционной сушки с предварительным нагревом сырого зерна контактным способом от рециркулирующего на технологические свойства зерна 167
4.4.3. Влияние рециркуляционной сушки с предварительным нагревом в псевдоожиженном слое на технологические свойства зерна 168
Глава 5. Промышленная апробация разработанных методов повышения эффективности технологии сушки зерна 176
5.1. Характеристика технологических схем зерносушилок 176
5.2. Методика проведения опытной сушки 184
5.3. Технология прямоточной сушки зерна при пониженных температурных режимах 186
5.4. Технология рециркуляционной сушки зерна при пониженных температурных режимах 195
5.5. Технология сушки с предварительным нагревом зерна, повторным использованием отработавшего агента сушки и пониженными температурными режимами 217
5.6. Методы обеспечения экологической безопасности высушиваемого зерна 244
5.6.1. Характеристика объектов исследования 244
5.6.2. Методика оценки степени загрязнения высушиваемого зерна вредными веществами 248
5.6.3. Результаты исследования степени загрязнения высушиваемого зерна 250
5.6.4. Разработка мероприятий по предотвращению загрязнения высушиваемого зерна вредными веществами 255
5.7. Технико-экономическая оценка методов повышения эффективности технологии сушки зерна 260
Общее заключение и выводы. 271
Список используемой литературы 276
Приложения 330
- Проблемы экологической безопасности сушки зерна
- Кинетика сушки зерна, предварительно нагретого агентом разного влагосодержания
- Комплексное влияние температуры и влагосодержания сушильного агента на технологические свойства высушиваемого зерна
- Технология сушки с предварительным нагревом зерна, повторным использованием отработавшего агента сушки и пониженными температурными режимами
Введение к работе
Актуальность темы. Решение проблемы повышения производства зерна неразрывно связано с развитием и совершенствованием мероприятий по обеспечению его количественно-качественной сохранности.
Неблагоприятные природно-климатические условия, характерные для многих зернопроизводящих регионов нашей страны, зачастую обусловливают высокую влажность и засоренность свежеубранного зерна. Сохранность его в таких условиях в решающей мере зависит от степени совершенства технологии зерносушения.
Специфические свойства зерна обусловливают довольно прочную связь содержащейся в нем влаги, удаление которой связано с затратой тепла путем ее испарения. В связи с этим в практике зерносушения наибольшее применение имеют разнообразные технологии тепловой сушки. Тепловое воздействие на зерно, как термолабильный продукт биологической природы, требует особого внимания к предотвращению негативных изменений состояния химических веществ зерна, определяющих его технологические свойства и качество в широком смысле слова. Задача заключается в обосновании рациональной технологии и оптимизации режимов сушки, обеспечивающих полное сохранение качества зерна и его безопасности как сырья для производства самых массовых продуктов питания человека и кормов для животных.
В прошлом в течение многих лет развитие технологий зерносушения было ориентировано прежде всего на ускорение процесса сушки, что объективно вызывалось хроническим недостатком сушильных мощностей и централизацией больших масс свежеубранного зерна.
Несмотря на изменившиеся условия заготовок зерна, снижение темпов его поступления на элеваторы и хлебоприемные предприятия, значительная часть зерна и до сих пор просушивается при довольно жестких температурных режимах, губительно отражающихся на его качестве.
Применяемые технологии сушки зерна еще не полностью удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым мукомольно-крупяной промышленностью к качеству зерна.
Исходя из общей концепции государственной политики в области питания населения Российской Федерации, снижения потерь и повышения качества зерна важнейшие задачи по повышению эффективности технологий зерносушения могут быть успешно решены лишь на научной основе с расширением исследований свойств зерна как объекта сушки, установлением кинетических закономерностей процесса сушки, созданием основ управления технологическими свойствами высушиваемого зерна, с разработкой способов энерго- и ресурсосбережения.
Тепловая сушка зерна – энергоемкий процесс. Между тем, решение проблемы экономии энергозатрат сдерживается недостаточной изученностью потенциально прогрессивных технологий зерносушения – с предварительным нагревом зерна, сушкой агентом повышенного влагосодержания, с повторным использованием отработавшего сушильного агента.
Ручной выбор оптимального режима сушки в реальных условиях переменной начальной влажности и качества зерна крайне затруднен. Переход на современный компьютерный метод управления технологическим процессом сушки требует разработки соответствующего математического описания процесса, базирующегося на закономерностях кинетики сушки.
Изложенные в диссертации новые научные положения, обоснованные и апробированные на промышленных установках технологические схемы и режимы сушки зерна направлены на повышение эффективности технологий тепловой сушки зерна.
Цель исследований – решение комплексной проблемы полного сохранения технологических свойств, обеспечения безопасности высушиваемого зерна и снижения удельных энергозатрат на сушку зерна.
Задачи исследования:
провести анализ развития тепловых технологий зерносушения как сложных систем взаимосвязанных физико-химических явлений тепло- и влагопереноса, сопровождающихся изменениями технологических свойств зерна; выявить приоритетные методы повышения эффективности технологий зерносушения;
разработать классификацию тепловых технологий зерносушения как систем по совокупности функциональных подсистем, в наибольшей степени влияющих на эффективность технологии в части сохранения качества и безопасности зерна, энерго- и ресурсосбережения;
выявить количественные закономерности кинетики сушки зерна разных культур в увязке с формами связи влаги при различных технологических схемах и режимах сушки во взаимосвязи с изменениями технологических свойств высушиваемого зерна; получить расчетные уравнения кривых сушки и нагрева зерна;
выявить характер изменения во времени полей температуры в плотном гравитационно движущемся слое зерна как фактора неравномерности сушки зерна в зависимости от режима сушки;
определить численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик, устанавливающих связь между тепло- и массообменом в процессе сушки зерна;
определить соотношение интенсивностей внешнего и внутреннего переноса влаги и величины градиента влагосодержания в процессе сушки зерна;
разработать методику кинетического расчета длительности сушки зерна при ограничениях, накладываемых допустимой температурой нагрева зерна;
изучить проблему и разработать мероприятия по предотвращению загрязнения высушиваемого зерна вредными веществами;
обосновать ориентированные на промышленную реализацию эффективные технологии сушки зерна и осуществить их промышленную апробацию.
Научная концепция работы. В разработке научно-практических основ повышения эффективности технологии зерносушения принят системный подход к решению логически взаимосвязанных задач от исследования кинетики процесса сушки и комплекса технологических свойств высушиваемого зерна, обоснования рациональной совокупности системообразующих элементов технологии до разработки эффективных технологий и их промышленной апробации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана классификация тепловых технологий зерносушения как систем, группирующая их по совокупности наиболее значимых системообразующих подсистем - способу теплоподвода, состоянию зернового слоя, организации процесса сушки, виду сушильного агента, кратности его использования и режиму сушки, позволяющая анализировать и оценивать энерготехнологическую эффективность различных технологий;
выявлены и математически описаны закономерности кинетики сушки зерна разных культур при различных температурных режимах применительно к реальным условиям сушки гравитационно движущегося зернового слоя; установлены характерные для сушки зерна особенности протекания процесса, обусловленные прочной связью влаги в зерне и, как следствие этого, непрерывным повышением температуры зерна и углублением зоны испарения внутрь зерна;
получено уравнение кинетики сушки зерна по методу приведенной скорости сушки с установленной экспериментальным путем зависимостью начальной скорости сушки от температуры сушильного агента и начального влагосодержания зерна;
изучена нестационарность полей температуры в плотном гравитационно движущемся слое, присущая сушке зерна в аппаратах шахтного типа; выявлены условия снижения неравномерности нагрева зерна;
разработана методика расчета «допустимой» длительности сушки зерна и возможного снижения влажности зерна за один цикл сушки, основанная на совместном решении системы уравнений скорости сушки и термограммы зерна при ограничении предельно допустимой температурой нагрева зерна, гарантирующей сохранение качества зерна;
определены численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик – температурного коэффициента сушки, критериев Rb и Ko, устанавливающих связь между тепло- и массообменном в процессе сушки зерна; исследовано соотношение интенсивностей внешнего и внутреннего переноса влаги в процессе сушки зерна; определены величины градиента влагосодержания и характер его изменения в зависимости от температуры сушильного агента и начального влагосодержания зерна.
Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации в промышленности эффективных технологий тепловой сушки зерна, обеспечивающих полное сохранение качества, безопасность высушиваемого зерна и снижение энергозатрат в процессе сушки. Апробированы в промышленных условиях технологии сушки зерна разных культур с пониженными температурными режимами на прямоточных и рециркуляционных зерносушилках, работающих по разным технологическим схемам, в т.ч. с предварительным нагревом зерна, повторным использованием отработавшего сушильного агента.
Разработана и внедрена в производство защищенная патентом технология сушки крупяных культур с предварительным нагревом зерна агентом повышенного влагосодержания и последующей сушкой при пониженных температурных режимах.
Расширены и скорректированы данные о границах предельно допустимых температур нагрева зерна разных культур применительно к реальным условиям протекания процесса сушки в промышленных зерносушилках, работающих по различным технологическим схемам сушки. Полученные данные учтены в разработанной ГНУ ВНИИЗ «Инструкции по сушке зерна, семян масличных культур и эксплуатации зерносушилок» (1995г.) в части режимов сушки зерна пшеницы, кукурузы, гороха и семян подсолнечника.
Разработана методика инженерного расчета процесса сушки зерна и производительности зерносушильного оборудования, составляющая основу новой концепции проектирования зерносушилок, совмещающей результаты исследования технологии сушки с возможностями компьютерного управления процессом сушки. В основу математического описания процесса сушки зерна в качестве граничных условий положены полученные данные о предельно допустимых температурах нагрева зерна.
Разработаны практические рекомендации по технологии сушки зерна разных культур на рециркуляционных зерносушилках А1-ДСП-50 и А1-УЗМ-1.
Расширены сведения о потенциально возможном загрязнении высушиваемого зерна канцерогенно-опасными веществами; получены данные об их содержании в зерне разных культур (пшеницы, ржи, овса и гороха), высушиваемом на зерносушилках разных типов (ДСП-32от, РД-2х25, А1-УЗМ, А1-УЗМ-01, А1-ДСП-50, в том числе оснащенных высоконапряженными цельнометаллическими топками У21-УЦТ-4,5), работающих с использованием различных видов топлива (дизельного топлива, смеси тракторного керосина с химическим адсорбентом, природного газа). Впервые в высушиваемом зерне разных культур определено содержание нитрозаминов, представляющих значительную канцерогенную опасность. Расширены рекомендации по предотвращению возможного загрязнения зерна вредными веществами в процессе сушки его смесью продуктов сгорания топлива с воздухом.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по специальности 260201(270100) «Технология хранения и переработки зерна» направления 655600 «Производство продуктов питания из растительного сырья» и по специальности 260601 (170600) «Машины и аппараты пищевых производств» направления 655800 «Пищевая инженерия».
Положения, изложенные в диссертационной работе, соответствуют основным принципам и направлениям государственной политики в области создания принципиально новых, энергетически выгодных, экологически безопасных технологий, обеспечивающих производство пищевых продуктов высокого качества, отраженным в «Концепции развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации до 2010 года».
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки и решения задач с использованием фундаментальных положений теории тепло- и массообмена, биохимии, зерноведения, хранения, сушки и переработки зерна, обработкой экспериментальных данных общепринятыми методами с использованием компьютерной техники, удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных исследований с данными промышленной апробации.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научных и научно-практических конференциях Всероссийского научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки (1989,1991г.г.), Всероссийского научно-исследовательского и технологического института птицеводства (1996г.), Московского государственного агроинженерного университета им.В.П.Горячкина (2002г.), Казахского национального аграрного университета (2004, 2006г.г.), Республиканского государственного предприятия «Научно-производственный центр перерабатывающей и пищевой промышленности» Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан (2006г.), Международной промышленной академии (2006г.), Московского государственного университета пищевых производств (1991, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007, 2008г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 51 печатная работа, в т.ч. 9 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 брошюры, 12 публикаций – в материалах международных научных и научно-практических конференций, патент Российской Федерации на изобретение (в соавторстве), учебник для вузов (в соавторстве), учебное пособие для вузов (в соавторстве), учебно-методическая работа (в соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общего заключения и выводов, приложений. Общий объем работы составляет 387 страниц компьютерного текста, в т.ч. 32 рисунка, 47 таблиц, 45 приложений. Список использованных источников включает 489 наименований, в т.ч. 48 – на иностранных языках.
Представленная работа является обобщением научных исследований, выполненных автором лично или при ее непосредственном участии и руководстве научно-исследовательскими работами в период 1989-2009 г.г.
Отдельные этапы экспериментальных исследований и обработки полученных данных выполнялись на кафедрах «Хранение зерна и технология комбикормов» и «Технологическое оборудование предприятий хлебопродуктов» Московского государственного университета пищевых производств», лаборатории техники и технологии приема, сушки и хранения зерна и лаборатории качества и биохимии зернопродуктов Всероссийского научно-исследовательского института зерна и продуктов его переработки, в лаборатории биофизики научно-исследовательского института онкологии им.проф. Н.Н.Петрова.
Автор выражает благодарность руководителям и сотрудникам хлебоприемных предприятий Российской Федерации и Украины, научно-исследовательских подразделений за оказанное содействие в проведении исследований.
Проблемы экологической безопасности сушки зерна
В современных условиях особую актуальность приобретает проблема всемерного сохранения качества, повышения пищевой ценности и обеспечения экологической безопасности продуктов питания. Первостепенное внимание при этом должно уделяться возможности попадания в пищевые продукты веществ, вредных для здоровья человека, в частности, соединений, обладающих канцерогенным действием [102,179,238,439].
За последние годы установлены сотни веществ, способствующих возникновению различных опухолей у животных. Свыше 20 химических соединений или их комплексов оказались канцерогенными для человека, в несколько раз большее количество веществ оцениваются как подозрительные в онкологическом отношении. К таким веществам относятся представители разных классов химических соединений - полициклические ароматические углеводороды, аминоазосоединения, нитрозамины, этиламины, эпоксиды, лактоны, пестициды, гормональные препараты, соли хрома, никеля, кадмия, токсические и канцерогенные метаболиты растений (микотоксины, в т.ч. афлотоксины), некоторые виды пищевых добавок (красители, ароматизаторы, вкусовые добавки и др.).
Наиболее изучены из этих соединений полициклические ароматические углеводороды, известные с 1933 года. Одним из наиболее распространенных представителей этого класса соединений является бензапирен, обладающий высокой канцерогенностью и значительной устойчивостью во внешней среде. Бензапирен присутствует повсеместно в продуктах неполного сгорания, содержится в ископаемых топлива.
Вследствие этого он признан индикаторным веществом загрязнения зерна полициклическими углеводородами и служит критерием канцерогенности [101, 184].
Значительную потенциальную канцерогенную опасность для человека представляют нитрозосоединения, в частности, iV-нитрозамины, изучению которых уделяется все большее внимание. Существенным отличием нитрозосоединений является возможность их эндогенного синтеза из лредшественников, содержащихся в самом организме или поступающих с продуктами питания.
Канцерогенность бензапирена и нитрозодиметиламина обусловлена способностью этих веществ вызывать развитие доброкачественных и злокачественных опухолей различных органов (печени, почек, желудочно-кишечного и дыхательного тракта, кожного покрова) при любом способе попадания в организм человека и животных. При этом медиками регистрировалось развитие большего количества опухолей за более короткий период времени, чем при попадании других канцерогенных веществ.
В отличие от других вредных веществ, для которых экспериментальным путем определены нормы предельно допустимых концентраций, исключающие отрицательное влияние на организм, для канцерогенных веществ в продуктах питания, по мнению онкологов, таких норм не должно быть установлено.
Учитывая жизненно важное значение хлеба и зернопродуктов, особое внимание должно быть уделено изучению путей проникновения и предотвращению попадания канцерогенных веществ в зерно.
Первоисточником загрязнения зерна канцерогенными веществами является общая загрязненность окружающей среды. Прямое оседание загрязненной пыли из воздуха, всасывание корневой системой из воды и почвы, синтез канцерогенных веществ самим растением в процессе жизнедеятельности обусловливают появление фонового содержания канцерогенных веществ в зерне.
Наряду с окружающей внешней средой источниками вредных для организма человека веществ могут быть и сами технологические процессы получения продуктов питания. Поэтому одним из приоритетных направлений обеспечения экологической безопасности зерна является предотвращение возможного загрязнения его вредными веществами в процессе сушки.
Потенциальная возможность попадания вредных веществ в зерно связана с использованием в качестве сушильного агента смеси воздуха с продуктами сгорания топлива. Однако, известно, что наличие прямого контакта с топочными газами не всегда влечет за собой загрязнение зерна [53, 84, 102, 157, 425, 435]. Образование и накопление канцерогенных веществ в зерне при сушке зависит от целого ряда факторов, в том числе от конструктивных особенностей сушилки, технологической схемы и режимов сушки, видов сжигаемого топлива, полноты его сгорания, физико-химических свойств высушиваемого зерна.
Зерно, обладает хорошими сорбционными свойствами. Значительная сорбционная емкость его объясняется капиллярно-пористой коллоидной структурой самого зерна и большой скважистостью зерновой массы. В процессах сорбции участвует суммарная активная поверхность зерна, составляющая площадь поверхности макро- и микрокапилляров и достигающая 200-250м2/г. Сорбционные процессы особенно характерны для оболочек зерна и семян, имеющих ярко выраженную капиллярно-пористую структуру.
Молекула бензапирена может проникать в поры, диаметр которых больше 9А. Если учесть, что наиболее вероятный диаметр капилляров зерна 20-25А, то, очевидно, что при достаточной концентрации бензапирена в агенте сушки зерно может поглотить большое количество этого канцерогенного вещества.
Существенное влияние на сорбционную способность зерна оказывает его химический состав. Чем меньше содержание в зерне гидрофильных коллоидов и больше содержание липидов, тем меньше величина его равновесной влажности. Наличие на поверхности зерна свободной влаги и высокое содержание в зерновой массе органической примеси способствуют сорбции вредных веществ.
Накопление бензапирена в зерне зависит и от механизма сушки. Если испарение влаги происходит с поверхности зерна без углубления зоны испарения, то значительная часть капилляров оказывается заполненной влагой, перемещающейся к поверхности зерна. Адсорбирующая поверхность уменьшается, вследствие чего поглощение бензапирена зерном снижается.
Механизм поглощения зерном бензапирена определяется как диффузионным прониканием молекул во внутреннюю структуру зерна (так называемое явление объемной сорбции), так и осаждением на его поверхности жидких и твердых частиц бензапирена (поверхностная сорбция).
При диффузном проникании молекул канцерогенных газообразных веществ во внутреннюю структуру зерна происходит их химическое взаимодействие с белками, жирами и углеводами зерна (так называемая хемосорбция), причем, чем выше влажность зерйа, тем больше величина хемосорбции. Сорбированные вещества зерно удерживает достаточно прочно.
Для ориентировочных расчетов адсорбируемости бензапирена необходимо знать его теплоту парообразования, оценить размер пор, в которые может проникать бензапирен, и площадь, занимаемую его молекулой в адсорбированном состоянии [53, 84, 184].
До недавнего времени оптимальными температурами образования бензапирена считали 700-800С. Теперь установлено, что он может образовываться и при более низких температурах - порядка 300-400С. При этом необходимо учитывать, что в пределах температуры сушильного агента от 100 до 400С, характерных для работы промышленных зерносушилок, бензапирен может находиться в виде аэрозоля твердых кристаллов (дым), в капельно-жидком виде (туман) и в парообразном состоянии [157].
Степень загрязнения зерна бензапиреном напрямую связана с полнотой сгорания топлива. При сжигании жидкого и газообразного топлива такая возможность объективно существует, однако, на практике это непреложное требование зачастую не выполняется либо вследствие конструктивных недостатков топки, либо по вине обслуживающего персонала. При нарушении режима сжигания и происходящей неполноте сгорания топлива в продуктах сгорания появляются полициклические ароматические углеводороды (в частности, бензапирен) и окислы азота, являющиеся предшественниками нитрозосоединений.
Обобщение результатов ранее выполненных отечественных и зарубежных исследований показало наличие определенных противоречий в оценке влияния различных факторов на степень загрязнения высушиваемого зерна бензапиреном и подтвердило необходимость дальнейшего накопления экспериментального материала для решения изучаемой проблемы экологической безопасности процесса сушки зерна [157].
Кинетика сушки зерна, предварительно нагретого агентом разного влагосодержания
Эффективность применения предварительного нагрева зерна обоснована гипотезой А.С.Гинзбурга и В.А.Резчикова об определяющей роли начального импульса внешнего воздействия на влажный материал, известной зависимостью коэффициента диффузии влаги от температуры зерна и подтверждено результатами многочисленных исследований [74,75, 286, 287,289].
Учитывая специфические свойства зерна, его предварительный нагрев следует осуществлять при интенсивном теплоподводе в течение возможно короткого промежутка времени. В определенной мере этим условиям отвечает предварительный нагрев зерна в псевдоожиженном состоянии.
Известно, что повышению коэффициента диффузии влаги в зерне способствует нагрев и сушка зерна в условиях высокого насыщения водяным паром межзернового пространства, что предотвращает перегрев и пересушивание поверхности зерна.
Нами исследована кинетика сушки с предварительным нагревом зерна, базирующаяся на сочетании кратковременного интенсивного нагрева зерна до предельно допустимой температуры с последующей сушкой при мягком щадящем режиме. Проведены сравнительные опыты с зерном проса начальным влагосодержанием в пределах wl=2Q+32% при моделировании технологических схем обычной прямоточной сушки и сушки с предварительным нагревом зерна агентом различного влагосодержания [155] (Приложение 3).
При прямоточной сушке с применением пониженных температурных режимов (ti = 55-К 5С) с нагревом зерна до 40С снижение влажности зерна за один прием сушки в зависимости от температуры сушильного агента составляло 3-4%. Однако, при этом зерно повышенного начального влагосодержания не удавалось высушивать до кондиционного состоянии.
При сушке с предварительным нагревом зерна в псевдоожиженном слое агентом различного влагосодержания температура сушильного агента на стадии предварительного нагрева составляла 90-120С, его влагосодержание - 10-40 г/кг св. Предварительно нагретое зерно высушивалось агентом температурой 55-80С.
Установлено, что применение предварительного нагрева зерна агентом влагосодержанием порядка 10-11 г/кг св. позволяет сократить длительность процесса сушки в 2,2-3,0 раза. Вследствие аномального характера изменения температуры высушиваемого зерна оно нагревается до меньшей температуры, что благоприятно сказывается на его качестве (рис. 3.9,а).
Предварительный нагрев зерна сушильным агентом влагосодержанием 35-40 г/кг св. позволяет интенсифицировать процесс сушки в 1,2-2 раза по сравнению с сушкой без предварительного нагрева зерна и с сушкой с предварительным нагревом зерна сушильным агентом меньшего влагосодержания (рис 3.9, б).
В характере протекания процесса сушки предварительно нагретого зерна проса отмечаются известные особенности кинетики сушки, проявляющиеся в аномальном характере изменения температуры зерна. В ходе процесса сушки отмечаются два периода — снижающейся в начале процесса температуры зерна и возрастающей — к концу процесса сушки. Снижение температуры зерна вызывается интенсивным испарением влаги, подводимой к поверхности нагретого зерна. По мере развития процесса и ослабления интенсивности внутреннего переноса влаги зона испарения углубляется внутрь зерна, температура зерна начинает повышаться. Таким образом, несмотря на непрерывный подвод тепла извне, создаются условия сушки при осциллирующем режиме, благотворно влияющем на качество высушиваемого зерна. Скорость и глубина охлаждения зерна в начальный период сушки зависят от температуры сушильного агента и влагосодержания зерна. Чем выше температура сушильного агента, тем в меньшей мере снижается температура зерна; чем выше начальное влагосодержание зерна, тем в большей мере оно охлаждается.
Снижение температуры предварительно нагретого зерна в начальный период сушки, сопровождающееся интенсивным испарением влаги, служит защитой от перегрева поверхности зерна и гарантией сохранения его качества.
Предварительный нагрев зерна, интенсифицируя процесс сушки, позволяет применять более мягкие температурные режимы в сравнении с прямоточной сушкой.
В результате проведенных исследований получена система уравнений, составляющая основу математической модели процесса предварительного нагрева зерна проса в псевдоожиженном слое агентом различного влагосодержания. Модель может быть использована при решении прямых, обратных и оптимизационных задач в процессе выбора рационального режима предварительного нагрева зерна агентом различного влагосодержания с применением компьютерной техники [234].
При прямом методе расчета по заданным параметрам режима предварительного нагрева определяется длительность процесса и максимально возможное снижение влажности зерна при нагреве его до температуры не выше предельно допустимой.
Для решения задачи оптимального управления процессом предварительного нагрева используется обратный метод расчета, при котором из совокупности режимных параметров, ограниченной областью их возможных значений, выбирают такие, при которых обеспечивается наибольшая эффективность процесса при сохранении качества высушиваемого зерна.
Алгоритм решения поставленной задачи заключается в расчете значения конечного влагосодержания зерна w при заданном значении начального влагосодержания w и варьируемых значениях температуры ґг и влагосодержания (1г сушильного агента (рис. 3.10).
Входными параметрами являются начальные параметры зерна (влагосодержание iv-f и температура 9-J, допустимая температура нагрева зерна вд, скорость Уг и плотность р сушильного агента, высота зернового слоя /і, удельная насыпная масса зерна у.
Комплексное влияние температуры и влагосодержания сушильного агента на технологические свойства высушиваемого зерна
Комплексное влияние температуры и влагосодержания сушильного агента на технологические свойства высушиваемого зерна пшеницы изучали при моделировании производственных условий прямоточной сушки, в том числе — с повторным использованием отработавшего сушильного агента [159, 160, 162, 163, 325, 326, 327, 328, 330].
Начальное влагосодержание сушильного агента при проведении опытной сушки находилось в пределах 10-41 г/кг св. (Приложение 2).
Зерно пшеницы начальной влажностью до 20% высушивали сушильным агентом температурой, сниженной на 70-75С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...».
Зерно пшеницы начальной влажностью свыше 20% высушивали сушильным агентом температурой, сниженной на 35-45С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...».
Установлено, что технологические свойства зерна начальной влажностью до 20%, просушенного агентом влагосодержанием 10-12 г/кг св. и температурой, сниженной на 75-80С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...», с нагревом зерна на 6-8С ниже инструкционного, остались практически без изменений в сравнении с контрольной пробой (табл.4.9-4.12, опыты № 1,4).
Технологические свойства зерна, просушенного агентом той же температуры и повышенного влагосодержания (32-37 г/кг св.), с нагревом зерна до уровня инструкционного, полностью сохранились - содержание клейковины в зерне и муке всех сортов осталось на уровне показателей контрольной пробы (рис 4.1). Анализ составленных количественно-качественных балансов помолов показал, что общий выход муки из просушенного зерна увеличился на 0,2-0,3%, в основном за счет увеличения выхода муки высоких сортов. Качество муки заметно улучшилось — зольность муки всех сортов снизилась на 0,01-0,07%, белизна - на 4-6 единиц. Более мягкое воздействие агента сушки пониженной температуры и повышенного влагосодержания обеспечило и лучшее сохранение хлебопекарных достоинств высушиваемого зерна - объемный выход хлеба увеличился на 40-45 см3 на 100 г муки, формоустойчивость - на 0,05-0,06. Внешний вид хлеба и структурно-механические свойства мякиша по сравнению с контрольными пробами не изменились (Приложения 21-24),
Технологические свойства зерна начальной влажностью свыше 20%, просушенного агентом влагосодержанием 10-12 г/кг св. и температурой, сниженной на 75-80С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...», с нагревом зерна на 5-12С ниже инструкционного, сохранились (табл.4.9-4.12, опыты №№ 2,3, 5, 6, 7).
Технологические свойства зерна, просушенного агентом такой же температуры и повышенного влагосодержания (32-37 г/кг св.) с нагревом зерна до уровня инструкционного, полностью сохранились, мукомольные и хлебопекарные достоинства улучшились. Содержание клейковины в зерне и муке всех сортов осталось на уровне показателей контрольной пробы, общий выход муки из просушенного зерна увеличился на 0,4-0,5%, зольность муки всех сортов снизилась на 0,02-0,07%, белизна — на 3-5 единиц. Объемный выход хлеба увеличился на 65-70 см на 100 г муки, формоустойчивость — на 0,04-0,05, пористость — на 2-3%, относительная упругость — на 8-10% (рис. 4.1, Приложения 21-24).
При сушке агентом влагосодержанием 10-12 г/кг св. и температурой, сниженной на 35-40С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...», зерно нагревалось до температуры на уровне инструкционной. Несмотря на это технологические свойства просушенного зерна ухудшились (табл.4.5-4.8, опыты №№ 8-11).
При сушке агентом такой же температуры и повышенного влагосодержания (34-41 г/кг св.) с нагревом зерна до температуры, на уровне инструкционной, качество просушенного зерна сохранялось полностью. Содержание клейковины в зерне и муке всех сортов осталось на уровне показателей контрольной пробы, общий выход муки из просушенного зерна увеличился на 0,2-0,5%, зольность муки всех сортов снизилась на 0,01-0,07%, белизна - на 3-6 единиц. Объемный выход хлеба увеличился на 60-65 см3 на 100 г муки, формоустойчивость — на 0,02-0,07, пористость — на 2-3%, относительная упругость - на 10-13% (рис. 4.1, Приложения 21-24).
Выявленный характер изменения технологических свойств зерна при сушке агентом повышенного влагосодержания и пониженной температуры обусловлен снижением интенсивности внешнего влагообмена, замедлением процесса углубления поверхности испарения внутрь зерна, большей равномерностью температурного поля в слое высушиваемого зерна.
Известно, что повышению коэффициента диффузии влаги в зерне способствует нагрев и сушка зерна в условиях высокого насыщения водяным паром межзернового пространства, что предотвращает перегрев и Пересушивание поверхности зерна. Улучшается равномерность нагрева и сушки по сечению отдельно взятых зерновок, предотвращается возникновение деструктивных изменений в них, уменьшается вероятность пересушивания оболочек, что оказывает благоприятное влияние на технологические свойства высушиваемого зерна, его мукомольное и хлебопекарное достоинство [70].
Установленный характер изменения технологических свойств высушиваемого зерна обусловливает возможность повышения допустимой температуры нагрева зерна при сушке агентом пониженной температуры и повышенного влагосодержания на 5-7С в сравнении с рекомендованными «Инструкцией по сушке...».
Проведенные исследования позволили обосновать эффективность сушки зерна агентом температурой 70-80С и начальным влагосодержанием 30-40 г/кг св. Эти параметры согласуются с техническими возможностями современных зерносушилок, переведенных на работу с повторным использованием отработавшего сушильного агента. 4.4. Влияние предварительного нагрева зерна и режимных параметров процесса на технологические свойства высушиваемого зерна
Влияние сушки с предварительным нагревом зерна разных культур изучали в увязке с выявленными кинетическими особенностями процесса при моделировании условий прямоточной и рециркуляционной сушки.
В разделе 3 показано, что процесс прямоточной сушки протекает с убывающей скоростью, с углублением зоны испарения внутрь зерна и непрерывным повышением его температуры. Испарение влаги происходит в ходе большей части процесса при температуре зерна, ниже предельно допустимой, что, естественно, снижает эффективность сушки.
Технология сушки зерна с предварительным нагревом более эффективна. В результате предварительного нагрева зерна ускоряется внутренний влагоперенос, зона испарения располагается вблизи поверхности зерна. При таком механизме сушки влага внутри зерна перемещается в основном в виде жидкости, что способствует переносу водорастворимых питательных веществ к зародышу, уменьшению деструктивных изменений в зерновках и, в конечном итоге, сохранению качества высушиваемого зерна.
Снижение температуры предварительно нагретого зерна в начальный период сушки, сопровождающееся интенсивным испарением влаги, служит защитой от перегрева поверхности зерна и надежной гарантией сохранения его качества. По мере развития процесса испарения влаги из поверхностных слоев зерновки и снижения ее температуры зона испарения углубляется внутрь зерна, температура его начинает повышаться и к концу процесса достигает начального значения.
Предварительный нагрев зерна, интенсифицируя процесс сушки, позволяет применять более мягкие температурные режимы в сравнении с обычной сушкой.
Технология сушки с предварительным нагревом зерна, повторным использованием отработавшего агента сушки и пониженными температурными режимами
Технология сушки с предварительным нагревом зерна, повторным использованием отработавшего агента сушки и пониженными температурными режимами апробирована при сушке зерна пшеницы, ржи, ячменя, кукурузы, проса и семян подсолнечника на типовых и реконструированных прямоточных и рециркуляционных зерносушилках.
На реконструированной прямоточной зерносушилке ДСП-32от Ребрихинского элеватора Алтайского края апробирована технология сушки зерна пшеницы [156, 161]. Интенсивный предварительный нагрев зерна осуществлялся в аппарате с вихревым слоем. Отработавший в аппарате сушильный агент повторно использовался в смесительной камере топки сушилки.
Высушивали свежеубранную пшеницу начальной влажностью 19-30%. Предварительно нагретое до температуры 39-46С зерно высушивалось при пониженных режимах — температура агента сушки была снижена на 15-50С в сравнении с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...», температура нагрева зерна при этом достигала предельно допустимых значений.
Применение предварительного нагрева сырого зерна и пониженных температурных режимов сушки позволяло снижать влажность зерна за один пропуск его через сушилку на 5,5 - 14,7% с нагревом зерна до предельно допустимой температуры (табл.5.15).
Установлено, что неравномерность нагрева зерна по сечению шахты была меньше, чем при сушке без применения предварительного нагрева зерна, тем не менее максимальный нагрев зерна в отдельных коробах достигал 70-72С.
Выявленные изменения показателей качества просушенного зерна (табл.5.15, 5.16) и повышенные удельные расходы топлива на сушку свидетельствуют о необходимости большего смягчения температурного режима на стадии сушки, как это рекомендовано в разделе 4.3.
Известно, что высокая засоренность зерна затрудняет сушку его без предварительной очистки на типовых зерносушилках, а предварительная очистка сырого зерна на сепараторах малоэффективна. Сушка пшеницы на типовой сушилке ДСП-32от сопровождалась некоторым снижением засоренности зерна в пределах 1-2%.
В вихревой камере под действием сил аэродинамического сопротивления, центробежной и гравитации происходит разделение зерновой массы по радиусу камеры и высоте слоя. В результате образуются два слоя — слой очищенного зерна, вращающийся у стенок аппарата и движущийся под действием гравитационных сил вниз и слой примесей, вращающийся ближе к оси камеры и движущийся под действием сил аэродинамического сопротивления вверх к выводному патрубку камеры.
Установлено, что при сушке пшеницы на реконструированной зерносушилке ДСП-32от с вихревой камерой достигался значительный эффект очистки от зерновой (до 80%) и сорной примеси (до 70%) [156,161].
Применение предварительного нагрева зерна позволило повысить производительность реконструированной сушиліси в проведенных опытах в среднем на 15% по сравнению с типовой сушилкой.
На реконструированной зерносушилке ДСП-32от Краснодарского масложирового комбината апробирована технология рециркуляционной сушки семян подсолнечника с предварительным нагревом зерна. Интенсивный предварительный нагрев семян осуществлялся в аппарате с псевдоожиженным слоем. Отработавший в аппарате сушильный агент повторно использовался в первой сушильной зоне.
Высушивали семена подсолнечника начальной влажностью 13-22%. Предварительно нагретые до температуры 54-56С семена высушивались по технологической схеме рециркуляционной сушки при пониженных на 5-10С в сравнении с рекомендуемыми «Инструкцией по сушке...» температурах агента сушки.
Апробированная технология благоприятно сказалась на качестве просушенных семян - кислотное число масла снижалось на 0,6-0,7 мг КОН, содержание масличной примеси увеличилось незначительно (табл. 5.17).
Производительность сушилки при работе по апробированной технологии увеличивалась в 1,4-1,5 раза по сравнению с производительностью типовой сушилки, расход условного топлива на сушку сокращался на 20-25%.
На реконструированной прямоточной зерносушилке К4-УС2-А Зачепиловского ХПП Харьковской области апробирована технология сушки зерна проса с предварительным нагревом зерна и повторным использованием сушильного агента, отработавшего в первой сушильной зоне [155, 232, 233, 235,299,300,310].
Высушивали зерно проса начальной влажностью до 18%. Предварительный нагрев зерна осуществляли агентом повышенного влагосодержания (30-40 г/кг св.), отработавшим в первой сушильной зоне и дополнительно подогреваемым до температуры 90-105С (Приложение 35). Температура сушильного агента на стадии сушки находилась на уровне рекомендованной «Инструкцией по сушке...», максимальный нагрев зерна при указанных режимных параметрах не превышал допустимых значений.
Апробированная технология сушки позволила достичь повышения производительности сушилки на 15-30% и сокращения расхода условного топлива на 20%.
Оценка технологических свойств просушенного зерна показала, что разработанная и апробированная технология сушки обеспечивает полное сохранение качества высушиваемого проса — общий выход крупы из просушенного зерна несколько увеличился, улучшилась ее развариваемость (табл.5 Л 8).
На реконструированной рециркуляционной зерносушилке РД-2Х25-70 Калачинского элеватора Омской области апробирована технология сушки зерна с рециркуляционно-изотермическим режимом [159, 160, 162, 163]. Отработавший в камере нагрева сушильный агент повторно использовался в сушильной шахте.
Высушивали зерно пшеницы начальной влажностью 19-23% (Приложение 36). Предварительный нагрев зерна осуществлялся сушильным агентом, температура которого была снижена по сравнению с рекомендуемой «Инструкцией по сушке...» на 80-100С. Температура зерна, находящегося в тепловлагообменнике, составляла 42-47С. Температура сушильного агента на входе в рециркуляционную шахту составляла 60-75 С, его влагосодержание - 32-40 г/кг св. (табл. 5.19).
Установлено, что снижение влажности зерна за один пропуск через сушилку без перегрева выше допустимой температуры составляло 5-9%.
