sushka1Cушка при температуре, близкой к температуре окружающей среды, предусматривает проветривание толстого неподвижного слоя зерна. Для этого используется высушивающий потенциал атмосферного воздуха. Если потенциала недостаточно, воздух нагревают на несколько градусов. По сравнению с другими способами сушки частичное использование электрической энергии на испарение 1 кг воды из массы зерна обходится значительно дешевле (Опубликовано в №5.2011г.)


(рис. 1).

zerno.#05.block.indd

Преимущества низкотемпературной сушки:

• низкая стоимость оборудования и его эксплуатации;

• не нужно транспортировать зерно от склада к сушилке и обратно;

• хорошее качество высушенного зерна;

• возможность использования зерна в каждой фазе оборота, как у производителя, так и в организациях, занимающихся продажей и переработкой.

В Британии таким способом сушится около 50% всего собранного зерна, в северных районах Америки – около 80% урожая.
Применяя метод низкотемпературной сушки, необходимо придерживаться определенных принципов, в частности, требуемых доз сушащего воздуха и допустимой толщины слоя для определенной начальной влажности зерна. Кроме того, нужно контролировать параметры вдуваемого воздуха, чтобы не допустить развитие плесени.

Как воздух сушит толстый слой зерна

Нагретый воздух способен насыщаться водяным паром. Обычно он вдувается в толстый слой зерна снизу, через пол. Пол должен быть перфорирован по всей поверхности. Преодолевая сопротивление слоя зерна, воздух поступает в межзерновое пространство. Влага, находящаяся в отдельных зернах, поглощается потоком воздуха и выводится наружу через вентиляционные отверстия в крыше склада. В межзерновом пространстве должна быть низкая относительная влажность воздуха, тогда влага будет выводиться из зерна в воздух.

Каким образом вода испаряется из зерна

Испарение происходит за счет разницы давления водяного пара в воздухе и на поверхности зерен. Давление в воздухе должно быть ниже. Такая ситуация возникает, когда относительная влажность воздуха, находящегося между зернами, ниже равновесной влажности воздуха. Испарение воды с поверхности зерна сопровождается выравниванием внутри его содержания влаги, так влага выводится наружу. Скорость выравнивания влаги внутри зерна зависит от его размеров: чем крупнее зерно, тем медленнее выравнивание. При низкотемпературной сушке это не имеет большого значения, но очень важно при быстрой высокотемпературной сушке.

zerno.#05.block.indd

В результате испарения влажность зерна уменьшается, а в воздухе количество водяного пара увеличивается. Надо отметить, что испарение воды сопровождается расходом тепла, вызывающим понижение температуры воздуха и зерна. Чем интенсивнее испарение, тем больше понижается температура. Так можно кратко описать переход влаги между отдельными зернами и частичками воздуха. Возникает вопрос, как этот процесс происходит в массе зерна? Как переход влаги из зерен в воздух протекает одновременно в разных местах толстого слоя зерна?

Типичный процесс низкотемпературной сушки в толстом неподвижном слое представлен на рисунке 1. Влага переходит от зерна к воздуху там, где относительная влажность воздуха ниже равновесной влажности. Так происходит только в слое относительно небольшой толщины. Область сушения медленно перемещается в соответствии с направлением движения воздуха в межзерновом пространстве (чаще всего снизу вверх). Рисунок 1 иллюстрирует область сушения, находящуюся посередине слоя зерна. Частички воздуха представляют собой емкости, получается, что сухой воздух несет емкости с водяным паром. В каждой частичке воздуха, проходящей через область сушения, увеличивается количество воды. Можно сказать, количество воды в емкости увеличивается. С понижением температуры емкость также уменьшается.

Если относительная влажность воздуха повышается до уровня равновесной влажности, влага перестает переходить из зерна в воздух. Такая ситуация возникает в местах выше области сушения. Это означает, что влажность зерна в слоях выше области сушения во время сушки держится на уровне, близком к начальной влажности.

Низкотемпературная сушка длится несколько дней при сухой погоде и до 2-3 недель – во влажный период. Влажность зерна в слоях, расположенных ниже области сушения, устанавливается на уровне равновесной влажности по отношению к влажности вдуваемого воздуха. Приблизительная влажность зерна, которая устанавливается при длительном периоде продувания, для воздуха с относительной влажностью 58-86% представлена в таблице 1. Возникает вопрос: если так долго часть зерна остается влажной, не грозит ли это плесенью? В областях с мокрым зерном и благоприятными условиями для развития живых организмов существует риск развития плесени. Имеет место ограничение низкотемпературной сушки, на что нужно обращать внимание. Необходимо успеть высушить все слои зерна до начала развития плесени. Иными словами, надо учитывать время безопасной сушки при заданных влажности и температуре зерна.

Чтобы борьба с плесенью прошла успешно, нужно соблюдать следующие условия:

• обеспечивать соответствующий объем (дозу) воздуха, проходящего через весь слой зерна (чем больше доза, тем лучше);

• обеспечивать соответствующие показатели относительной влажности и температуры воздуха (чем ниже, тем лучше);

• контролировать процесс сушки. Во избежание увлажнения зерна и в целях равномерного просушивания самых влажных слоев нужно контролировать параметры вдуваемого воздуха и следить за тем, чтобы после сушки не был пересушен слой, находящийся на входе сушащего воздуха. Это особенно важно для зерна, предназначенного для продажи. Во многом это зависит не столько от обслуживающего персонала, сколько от оборудования, предназначенного для низкотемпературной сушки.

Как должен быть оборудован силос или склад, чтобы в нем можно было сушить зерно низкотемпературным методом? Оборудование, необходимое для низкотемпературной сушки подобно тому, которое используется для проветривания сухого зерна, но принцип его работы отличается.

zerno.#05.block.indd

Самое необходимое оборудование:

1) вентилятор;

2) оборудование, подающее сжатый воздух от вентилятора в массу зерна (чаще всего перфорированный пол);

3) контрольно-измерительное оборудование (КИО), например биосенсор BIT;

4) подогреватель воздуха. Схема комплекта оборудования для низкотемпературной сушки приведена на рисунке 3.

Вентилятор

Вентилятор для низкотемпературной сушки должен обеспечить перемещение объема воздуха, в несколько раз большего по сравнению с объемом, рекомендованным для проветривания сухого зерна. zerno.#05.block.inddРекомендуемые объемы (дозы) воздуха значительно отличаются для стран с разным климатом. В английском справочнике для фермеров (морской климат) указывается, что вентилятор должен обеспечить перемещение 180 куб. м воздуха в час на 1 т зерна: [м3/(ч•т)]. Это относится к сушке зерна с начальной влажностью не более 20% при толщине слоя 3 м.
В справочнике для канадских фермеров, сушащих зерно (в климате со значительно большим потенциалом сушения) атмосферным воздухом, рекомендуются значительно меньшие дозы – 30-80 куб. м/(ч•т) в зависимости от времени сбора и предназначения зерна. Например, для посевного зерна рекомендуемая доза выше на 35%.

В польском климате величина сушащего потенциала атмосферного воздуха средняя между величиной сушащего потенциала воздуха в морском и сухом климате. Этот факт влияет на дозы воздуха, необходимые для низкотемпературной сушки зерна. Согласно результатам наших исследований, для безопасной сушки необходимо соблюдать следующие условия:

• скорость воздуха, проходящего через слой зерна, должна быть не менее 7 см/с;

• относительная влажность воздуха не должна превышать 55%;

• толщина слоя зерна и рекомендуемые дозы воздуха, зависящее от начальной влажности зерна, не должны превышать величин, приведенных в таблице 2.

zerno.#05.block.inddИсследования проведены на основе метеорологических данных последних 17 лет, представленных метеорологической станцией Познань-Лавица. Для всего исследуемого периода время сушки самых влажных слоев зерна было короче времени безопасного хранения, определенного согласно критериям степени развития плесени. Относительную влажность воздуха нужно снижать до 55% с помощью подогрева только в случае необходимости. Подогрев следует проводить на минимально требуемом уровне, при управлении с помощью контрольно-измерительного оборудования. Необходимо обеспечить максимальную мощность подогрева воздуха на уровне поверхности пола в пределах 0,22 кВт/м2. В наших исследованиях единичный расход энергии составлял 3 МДж на 1 кг испарившейся воды. Это среднее значение за 17 лет наблюдений.
Перфорированный пол – наиболее часто используемое оборудование, которое применяется для подвода воздуха от вентилятора к слою зерна. Для низкотемпературной сушки пол должен быть перфорирован по всей площади и обеспечивать равномерный проход воздуха во всех местах толстого слоя.

Контрольноизмерительное оборудование

В условиях польского климата процесс низкотемпературной сушки зерна должен контролироваться, иначе зерно может испортиться. В отличие от Канады, в Польше нельзя высушить зерно до безопасной влажности без подогрева воздуха. В этом легко убедиться, если сравнить величины относительной влажности атмосферного воздуха и равновесной влажности воздуха.

Согласно определению равновесной влажности воздуха, чтобы зерно высушить до влажности 13%, относительная влажность вдуваемого воздуха должна быть ниже 58%. Во время уборочной, а также в послежатвенный период относительная влажность атмосферного воздуха превышает 58%. Средняя влажность в послежатвенный период в последние несколько лет составляла 75%, при этом ночью она увеличивалась до 90%. Следовательно, для обеспечения безопасности процесса сушки при всех погодных условиях необходимо понижать влажность атмосферного воздуха.

Самый простой способ уменьшения влажности воздуха – подогрев. Подогрев воздуха на 8 °С снижает его относительную влажность на 35%. Для этого используется специальный подогреватель, исключающий риск увлажнения зерна при наихудших погодных условиях. Однако это нежелательно при сушке зерна в неподвижном слое толщиной более 1,5-2 м по двум основным причинам:

1) подогрев вдуваемого воздуха непрерывным способом приводит к нежелательному повышению температуры в период, когда относительная влажность воздуха низкая, а температура высокая. Это приводит к повышению температуры мокрых слоев зерна (к ним область сушения доходит позже), в результате чего ускоряется процесс развития микроорганизмов в зерне;

2) непрерывный подогрев атмосферного воздуха обходится очень дорого. При низкотемпературной сушке максимально используется потенциал сушащего воздуха, причем бесплатно. Если подогреватель нельзя включать на длительное время, то нужно это делать периодически в зависимости от влажности атмосферного воздуха.

Подогреватель воздуха должен обеспечить возможность подбора мощности подогрева для конкретных погодных условий. Мощность подогревателя для самых неблагоприятных погодных условий польского климата составляет 0,22 кВт/ м2 продуваемой поверхности.

Как практически контролировать процесс сушки

Очень важно, чтобы сушка осуществлялась путем планового включения-выключения подогревателя и вентилятора. Не рекомендуется делать это вручную, так как такие действия надо проводить и днем и ночью. Для этого существуют регуляторы влажности воздуха, оборудованные блоком управления (контроля). Регуляторы влажности воздуха – это самое простое контрольно-измерительное оборудование (КИО) для низкотемпературной сушки. КИО контролирует, чтобы влажность сушащего воздуха не поднялась выше влажности переключения. При повышении влажности атмосферного воздуха выше влажности переключения включается подогреватель, понижающий относительную влажность воздуха. Существует много способов контроля и управления низкотемпературным процессом. Их общая черта заключается в том, что процесс сушки контролируется с помощью учета параметров сушащего воздуха – влажности и (или) величины потока. Чаще всего при этом регулируется относительная влажность сушащего воздуха. Основной информацией, необходимой для контроля процесса сушки, является влажность сушащего воздуха и зерна. Для измерения влажности воздуха используется прибор, обеспечивающий погрешность ±3% и возможность размещения его датчика в канале, который проводит воздух в слой зерна. Влажность зерна контролируется путем сравнения влажности зерна в самом влажном слое с влажностью, необходимой для безопасного хранения. Необходимо раз в день измерять влажность нений вниз, что увеличивает сопротивление слоев зерна потоку воздуха. Это является дополнительным поводом для очистки зерна. Правильно проведенное перемешивание зерна уменьшает сопротивление слоя зерна воздуху и позволяет увеличить интенсивность потока воздуха до 30% при том же вентиляторе. Практика использования мешалок в США показывает, что в этом больше позитивного, чем негативного.

Выводы

При хорошей организации процесса метод низкотемпературной сушки зерна обеспечивает высокое качество высушенного зерна.

Чтобы сушка была дешевой и одновременно обеспечивала высокое качество высушенного зерна, необходимо:

• подобрать оптимальный объем (дозу) воздуха, достигающего всех мест толстого слоя зерна (чем больше поток, тем лучше);

• поддерживать оптимальную влажность и температура воздуха;

• контролировать процесс сушки.

Оборудование, необходимое для сушки зерна низкотемпературным методом:

1) силос или склад;

2) вентилятор (воздуходувка);

3) оборудование, с помощью которого горячий воздух поступает с слой зерна, – воздушные каналы или перфорированный пол;

4) контрольно-измерительное оборудование;

5) подогреватель воздуха. Производительность вентилятора должна составлять 0,07 м3/с на 1 кв. м площади склада.

Допустимая толщина слоя зерна зависит от влажности зерна в момент начала сушки и не должна превышать следующие величины (см. табл. 3).
Подогрев – это самый простой способ понижения относительной влажности воздуха. Повышение температуры атмосферного воздуха на 1 °С приводит к уменьшению относительной влажности воздуха на 4,5%.

Свежеубранное зерно выделяет тепло, что помогает при сушке. Например, зерно пшеницы влажностью 18% при температуре 20 °С в течение суток выделяет столько тепла, сколько необходимо для подогревания его на 3 °С.

Не следует чрезмерно нагревать воздух, вдуваемый в толстый неподвижный слой зерна. Сильно нагретый воздух испаряет много избыточной воды в слоях, близко расположенных к месту поступления воздуха, и при охлаждении в слоях на выходе происходит конденсация пара, что может увлажнять верхний слой зерна. Наиболее благоприятен максимально холодный воздух, поскольку его влажность никогда не достигает опасной величины (55%). Интенсивный подогрев вдуваемого воздуха возможен только при сушке относительно тонких неподвижных слоев зерна (до 0,7 м). Осуществляйте подогрев воздуха на минимально необходимом уровне, тогда будет легко избежать риска конденсации пара в охлажденных слоях зерна на выходе воздуха.
Антоний Рынецкий (Antoni Ryniecki)

Петр Шиманский (Peter Szymaski)

Аграрный университет, г. Познань, Польша