способ сушки зерна в вакууме и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сушки зерна в вакууме путем испарения влаги, включающий загрузку зерна в имеющую нагревательные элементы вакуумную сушильную камеру через впускной шлюзовой затвор, создание вакуума, нагрев, выдерживание до испарения влаги, охлаждение и выпуск высушенного зерна через выпускной шлюзовой затвор, отличающийся тем, что перед загрузкой зерна в вакуумную сушильную камеру осуществляют предварительный подогрев зерна до температуры начала процесса испарения в зоне вакуума в сушильной камере, а нагрев осуществляют теплоносителем, из которого предварительно удаляют растворенные газы и который нагревают путем конденсации всего пара, испаряющегося в сушильной камере на наружных стенках установленной в камере батареи, имеющей кольцевые сопла трубок, в каждую из которых через установленное на ней кольцевое сопло нагнетают под давлением теплоноситель с получением на выходе из сопла скоростной струи кольцевого сечения площадью, составляющей 0,005 - 0,01 площади проходного сечения трубки и статическим давлением теплоносителя, выходящего из сопла, меньшим давления насыщенного конденсируемого пара, и последующим торможением струи, например, в конфузоре до статического давления теплоносителя, большего статического давления насыщенного конденсируемого пара, и повышения температуры теплоносителя, причем используют батарею трубок с соотношением площади боковой поверхности всех трубок и производительности сушильной камеры, составляющим от 1 м²/т/ч до 3 м²/т/ч, и соотношением диаметра трубки и ее длины в пределах 1 : 20 - 1 : 100, а охлаждение зерна производят путем отбора тепла от выходящего из сушильной камеры зерна теплоносителя, который используют для предварительного подогрева зерна перед его загрузкой в сушильную камеру.

2. Устройство для сушки зерна в вакууме, включающее вакуумную сушильную камеру, разделенную на паровую и зерновую секции жалюзийной перегородкой, нагреватель, размещенный в зерновой секции, впускной и выпускной шлюзовые затворы, вакуумный насос, теплообменник-охладитель, систему трубопроводов для циркуляции теплоносителя и выпуска конденсата, отличающееся тем, что устройство снабжено теплообменником-нагревателем предварительного подогрева зерна, объединенным трубопроводами с теплообменником-охладителем в единую замкнутую систему, включающую дополнительно насос, пусковой нагреватель и теплообменник утилизации тепла вакуумного насоса, а нагреватель снабжен батареей трубок с кольцевыми соплами на входе и конфузорами на выходе каждой трубки, причем батарея трубок размещена в корпусе, сообщенном с паровой секцией, входы трубок сообщены с выходом нагревателя, а выходы - с входом нагревателя посредством насоса, при этом батарея трубок выполнена с соотношением площади боковой поверхности всех трубок и производительности сушильной камеры, составляющим от 1 м²/т/ч до 3 м²/т/ч, и соотношением диаметра трубки и ее длины в пределах 1 : 20 - 1 : 100, а каждое кольцевое сопло выполнено с площадью проходного сечения, составляющей 0,005 - 0,01 площади сечения трубки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве теплоносителя, циркулирующего через сопла, использована вода с добавкой поверхностно-активного вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике сушки и может быть использовано, преимущественно, для сушки зерна пшеницы, ржи, овса, ячменя и других сельскохозяйственных культур.

Известны различные способы сушки зерна и устройства для их осуществления (см. например, Справочник по оборудованию зерноперерабатывающих предприятий, издание 2-ое, переработанное и дополненное, Москва, "Колос", 1980, с. 322-344).

Известные способы и агрегаты, обеспечивающие их осуществление, основаны на взаимодействии зерна с нагревающим его в противотоке агентом сушки - смесью топочных газов с воздухом, в частности, за счет сжигания нефтепродуктов.

Известен также способ вакуумной сушки полидисперсных материалов, используемый в различных отраслях, в том числе и в пищевой отрасли промышленности, при котором сушку осуществляют путем контактного подвода тепла к материалу и одновременного продувания его слоя газом, подаваемым позонно в пульсирующем режиме, который ведут без паузы между окончанием подачи его в одну зону и началом подачи в другую зону (см. SU, авторское свидетельство, 974068, кл. F 26 B 3/08, F 26 B 5/04, 1982).

Наиболее близким к изобретению по своей сущности и достигаемому результату является способ сушки зерна в вакууме путем испарения влаги, включающий загрузку зерна в имеющую нагревательные элементы вакуумную сушильную камеру через впускной шлюзовой затвор, создание вакуума, нагрев, выдерживание до испарения влаги, охлаждение и выпуск высушенного зерна через выпускной шлюзовой затвор (Баум А. Е. Сушка зерна, издание 3-е, переработанное и дополненное, М.: ЦИНТИ, 1963, с. 236-239).

Известно также наиболее близкое к изобретению устройство для сушки зерна в вакууме, включающее вакуумную сушильную камеру, разделенную на паровую и зерновую секции жалюзийной перегородкой, нагреватель, размещенный в зерновой секции, впускной и выпускной шлюзовые затворы, вакуумный насос, теплообменник - охладитель, систему трубопроводов для циркуляции теплоносителя и выпуска конденсата (Баум А. Е. Сушка зерна, издание 3-е, переработанное и дополненное, М.: ЦИНТИ, 1963, с. 236-238, рис. 117).

Недостатками известного способа и устройства для его осуществления является большой расход энергии на сушку, а также необходимость использования довольно сложного дорогостоящего оборудования (см. указанную выше книгу, с. 238).

Задачей настоящего изобретения является сокращение энергозатрат при одновременном сохранении питательных свойств зерна, уничтожении вредителей зерна, а также упрощении конструкции, сокращении необходимости использования дорогостоящего оборудования, а также сокращении вредного воздействия на окружающую среду.

Задача решается за счет того, что в способе сушки зерна в вакууме путем испарения влаги, включающем загрузку зерна в имеющую нагревательные элементы вакуумную сушильную камеру через впускной шлюзовой затвор, создание вакуума, нагрев, выдерживание до испарения влаги, охлаждение и выпуск высушенного зерна через выпускной шлюзовой затвор, перед загрузкой зерна в вакуумную сушильную камеру осуществляют предварительный подогрев зерна до температуры начала процесса испарения в зоне вакуума в сушильной камере, а нагрев осуществляют теплоносителем, из которого предварительно удаляют растворенные газы и который нагревают путем конденсации всего пара, испаряющегося в сушильной камере на наружных стенках установленной в камере батареи, имеющих кольцевые сопла трубок, в каждую из которых через установленное на ней кольцевое сопло нагнетают под давлением теплоноситель с получением на выходе из сопла скоростной струи кольцевого сечения площадью, составляющей 0,005-0,01 площади проходного сечения трубки и статическим давлением теплоносителя, выходящего из сопла, меньшим давления насыщенного конденсируемого пара, и последующим торможением струи, например, в конфузоре, до статического давления теплоносителя, большего статического давления насыщенного конденсируемого пара и повышения температуры теплоносителя, причем используют батарею трубок с соотношением площади боковой поверхности всех трубок и производительности сушильной камеры, составляющим от 1 м²/т/ч до 3 м²/т/ч, и соотношением диаметра трубки и ее длины в пределах 1:20 - 1:100, а охлаждение зерна производят путем отбора тепла от выходящего из сушильной камеры зерна теплоносителя, который используют для предварительного подогрева зерна перед его загрузкой в сушильную камеру.

В части устройства задача решается за счет того, что устройство для сушки зерна в вакууме, включающее вакуумную сушильную камеру, разделенную на паровую и зерновую секции жалюзийной перегородкой, нагреватель, размещенный в зерновой секции, впускной и выпускной шлюзовые затворы, вакуумный насос, теплообменник-охладитель, систему трубопроводов для циркуляции теплоносителя и выпуска конденсата, снабжено теплообменником-нагревателем предварительного подогрева зерна, объединенным трубопроводом с теплообменником-охладителем в единую замкнутую систему, включающую дополнительно насос, пусковой нагреватель и теплообменник утилизации тепла вакуумного насоса, а нагреватель снабжен батареей трубок с кольцевыми соплами на входе и конфузорами на выходе каждой трубки, причем батарея трубок размещена в корпусе, сообщенном с паровой секцией, входы трубок сообщены с выходом нагревателя, а выходы - с входом нагревателя посредством насоса, при этом батарея трубок выполнена с соотношением площади боковой поверхности всех трубок и производительности сушильной камеры, составляющим от 1 м²/т/ч до 3 м²/т/ч, и соотношением диаметра трубки и ее длины в пределах 1:20 - 1:100, а каждое кольцевое сопло выполнено с площадью проходного сечения, составляющей 0,005 - 0,01 площади сечения трубки. При этом в качестве теплоносителя, циркулирующего через сопла, может быть использована вода с добавкой поверхностно-активного вещества.

Технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления, состоит в возможности значительной экономии энергии на сушку вследствие повторного использования в процессе сушки значительной части энергии, затрачиваемой на испарение влаги из зерна, причем заявленные соотношения параметров элементов используемого оборудования обеспечивают оптимальные условия протекания процесса сушки, сохранение питательных свойств зерна, поскольку процесс сушки идет при невысоких температурах (+30 - +40^oC), а при выдержке зерна в зоне глубокого вакуума обеспечивается уничтожение вредителей зерна.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройством для сушки зерна в вакууме.

Устройство для сушки зерна в вакууме включает вакуумную сушильную камеру 1, разделенную жалюзийной перегородкой 2 на паровую 3 и зерновую 4 секции, впускной 5 и выпускной 6 шлюзовые затворы, вакуумный насос 7, теплообменник-охладитель 8, систему трубопроводов 9 для циркуляции теплоносителя и выпуска конденсата, теплообменник-нагреватель 10 предварительного подогрева зерна. Теплообменник-нагреватель 10 объединен трубопроводами 11 с теплообменником-охладителем 8 в единую замкнутую систему, в которую дополнительно введен насос 12, пусковой нагреватель 13 и теплообменник 14 утилизации тепла вакуумного насоса 7. В зерновой секции 4 размещен нагреватель 15, сообщенный с батареей трубок 16. Каждая трубка 16 имеет кольцевое сопло 17 на входе и конфузор 18 на выходе. Батарея трубок 16 размещена в корпусе 19, который сообщен с паровой секцией 3, причем входы трубок 16 сообщены с выходом нагревателя 15, а выходы - с входом нагревателя 15 посредством насоса 12^а. Батарея трубок выполнена с соотношением площади боковой поверхности всех трубок 16 и производительности сушильной камеры 1, составляющим от 1 м²/т/ч до 3 м²/т/ч, а диаметр трубки 16 соотносится с ее длиной в пределах 1:20 - 1:100. При этом каждое кольцевое сопло 17 выполнено с площадью проходного сечения, составляющей 0,005 - 0,01 площади сечения трубки 16.

В качестве теплоносителя, циркулирующего через сопла 17, может быть использована вода с добавкой поверхностно-активного вещества.

Способ сушки зерна в вакууме с помощью устройства описанной выше конструкции осуществляют следующим образом.

Перед загрузкой зерна в сушильную камеру 1 осуществляют его предварительной подогрев до температуры начала процесса испарения в зоне вакуума в сушильной камере 1. Подогретое зерно загружают через впускной шлюзовой затвор 5, создают вакуум в камере и производят нагрев зерна теплоносителем, из которого предварительно удаляют растворенные газы и который нагревают путем конденсации всего пара, испаряющегося в сушильной камере на наружных стенках батареи трубок 16, в каждую из которых через кольцевое сопло 17 этой трубки 16 нагнетают под давлением теплоноситель с получением на выходе из сопла скоростной струи кольцевого сечения площадью, составляющей 0,005 - 0,01 площади проходного сечения трубки и статическим давлением теплоносителя, выходящего из сопла меньшим давления насыщенного конденсируемого пара, и последующим торможением струи, например, в конфузоре 18, до статического давления теплоносителя, большего статического давления насыщенного конденсируемого пара, и повышения температуры теплоносителя. При этом используют батарею трубок 16 с определенными, указанными выше параметрами. Охлаждение зерна производят путем отбора тепла от выходящего из сушильной камеры зерна теплоносителя, который используют для предварительного подогрева зерна перед его загрузкой в сушильную камеру.

Таким образом, 90% энергии в теплообменник-нагреватель поступает из теплообменника-охладителя, в котором тепло отбирается от зерна, выходящего из сушилки, и 10% от вакуумного агрегата, который, производя вакуумирование, нагревают отсасываемый воздух. В конечном итоге это обеспечивает сокращение затрат энергии на сушку зерна по сравнению с известными сушилками, примерно, в 30 раз. Отсутствие выбросов в атмосферу способствует улучшению экологии окружающей среды.

Физическая сущность теплообменных процессов, происходящих при сушке зерна.

Теплоноситель (вода), нагнетаемый под давление в кольцевые сопла батареи трубок, вырывается из сопел с большой скоростью и движется, касаясь внутренних стенок трубок. Так как статическое давление внутри трубок меньше статического давления пара в паровой зоне сушильной камеры, то и, согласно условиям состояния насыщенного пара, его температура тоже ниже температуры пара в сушильной камере. За счет разницы температур тепловой поток направлен из сушильной камеры во внутрь трубок, при этом теплоноситель начинает интенсивно испаряться, а пар снаружи трубок, в почти таком же количестве, конденсироваться, передавая энергию конденсации пару теплоносителя. Внутри трубки будет образовываться пена, состоящая из теплоносителя и его пара. Когда пена заполнит все сечение трубки процесс теплообмена заканчивается и начинается торможение потока в конфузоре, в котором кинетическая энергия пены преобразуется в статическое давление, которое должно быть больше статического давления пара в паровой зоне сушильной камеры (температура также будет выше), поэтому этим теплоносителем можно нагревать зерно, испаряя из него влагу.

В табл. 1 приведены краткие технические характеристики известных зерносушилок, описанных в первом приведенном источнике информации, и устройства для сушки зерна по изобретению.

В базисных установках используются топка для сжигания топлива и электродвигателя вентиляторов нагнетания агента сушки и атмосферного воздуха, в новой установке только электродвигатели.

Для двигателей внутреннего сгорания затраты на энергоносители определяются исходя из цены топлива (принято дизельное топливо по цене 1300 руб. /кг), часового расхода топлива (табл. 1) и годового режима работы установок (принято 4200 ч). Затраты составят:

РД 1 х 25 1300х216х4200 = 1179 млн. руб.

А1-УЗМ-1М 1300х378х4200 = 2064 млн. руб.

Для электродвигателей затраты на энергосители определяются исходя из цены кВт/ч электроэнергии (принята цена 140 руб./кВтч), установленной мощности электродвигателей (табл. 1), коэффициента спроса (принят 0,84, учитывая непрерывный характер процесса) и годового режима работы установок (принято 4200 ч). Затраты составят:

РД 1 х 25 140х78,1х4200 = 39 млн. руб.

А1-УЗМ-1АМ 140х155х0,84х4200 = 77 млн. руб.

По изобретению 140х75х0,84х4200 = 37 млн. руб.

Суммарные затраты на энергоносители составят:

РД 1 х 25 = 1218 млн. руб.

А1-УЗМ-1М =2141 млн. руб.

НТ = 37 млн. руб.

В табл. 2 представлены экономические показатели сравниваемых установок.

В качестве обобщенного экономического показателя приняты удельные приведенные затраты на одну тонну просушенного зерна и выполнены соответствующий расчет:

Z^пр_уд = Сед + 7/Куд; где Сед = Cr/B; Куд = K/B;

Сед - текущие издержки на единицу продукции;

Cr - годовые текущие издержки;

B - годовая производительность;

K - затраты на производство, доставку и монтаж техники;

r - ставка рефинансирования ЦБ РФ (принята 0,36).

Удельные приведенные затраты составят:

РД1 х 25 1540000000/100000 + 0,36 1132000000/100 = 19475 руб.

А1-УЗМ-1М 2642000000/200000 + 0,36 2412000000/200000 = 17552 руб.

По изобретению 228000000/100000 + 0,36 842000000/100000 = 5311 руб.

Определен годовой экономический эффект на одну новую установку по формуле:



В качестве базисной техники приняты: БТ = РД1 х 25;

БТ = А1-УЗМ-1М

Имеем:

Эг1 = (19475 - 5311) 100000 = 1416 млн. руб.

Эг2 = (17552 - 5311) 100000 = 1224 млн. руб.

Соотношение экономического эффекта и капитальных затрат показывает, что они окупятся в течение года.

Новая зерносушилка имеет ряд дополнительных преимуществ.

Зерносушилка по изобретению исключает вредное воздействие на окружающую среду из-за отсутствия выбросов в атмосферу продуктов горения и зерновой пыли, сохраняет кислород атмосферы от сжигания.