автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование процесса увлажнения зерна в технологии его размола

На правах рукописи

ПЕРЕКРЕСТ ФЕДОР ОЛЕГОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА УВЛАЖНЕНИЯ ЗЕРНА В ТЕХНОЛОГИИ ЕГО РАЗМОЛА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

1 оЖй.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Зерноград - 2012

005017277

005017277

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» (ФГЪОУ ВПО АЧГАА)

Официальные оппоненты: Щербина Виталий Иванович,

доктор технических наук

(ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры),

Защита состоится «_» мая 2012 г. в_часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21 (зал заседаний диссертационного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан «_» апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Краснов Иван Николаевич

Филин Виктор Михайлович,

кандидат технических наук

(ООО «АГРОПРОДМАШ», г. Новочеркасск,

директор)

Ведущая организация

Донской государственный аграрный университет (ФГБОУ ВПО ДонГАУ, п. Персиановский Ростовской области)

профессор

Н.И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Распространённые в настоящее время увлажнительные установки нацелены преимущественно на способ «холодного» кондиционирования, который связан с большими затратами, связанными с последующим процессом отволаживания.

К настоящему времени отечественными и зарубежными учеными разработаны новые и усовершенствованы существующие методы подготовки зерна к помолу, а также к пропариванию и предпосевной жидкостной обработке. Значение новых способов увлажнения зерна с последующим его отволаживанием приобрело особую важность в последние годы, когда количество производителей в нашей стране возросло, а размер партий зерна, поставляемых от каждого производителя в отдельности, уменьшился. Появилось и большое количество мелких предприятий по переработке зерна, которым промышленные методы подготовки зерна к помолу не доступны по экономическим показателям.

Это вызывает необходимость дальнейшего совершенствования увлажнения зерна пшеницы перед помолом путем интенсификации этого процесса. На крупных предприятиях интенсифицируют его в основном использованием теплой воды или пара, что требует дополнительных энергозатрат и строительства котельных.

Остаются не исследованными и многие вопросы насыщения зерна свободной влагой до отволаживания, движения влаги внутри зерновки, взаимодействия потока зерна с водой в процессе его орошения и другие, оказывающие влияние как на показатели затрат на обработку зерна, так и на качество получаемой от него продукции.

Цель исследования - интенсификация технологического процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

В связи с этим необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать классификационную схему существующих способов подготовки зерна к помолу.

2. Разработать математические модели процесса увлажнения зерна и его интенсификации действием разряжения и избыточного давления воздуха.

3. Дать анализ процесса подачи и распыления воды в линиях увлажнения зерна, а также насыщения его влагой.

4. Обосновать рациональные режимы работы установки для увлажнения зерна, набор, последовательность и длительность операций технологического процесса.

5. Провести технико-экономическое обоснование внедрения в производство результатов исследования.

Объект исследования - процесс увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

Предмет исследования - закономерности процесса увлажнения зерна пшеницы в увлажнительных машинах, их влияние на дальнейшее состояние зерновки и пути его интенсификации.

Методика исследований предусматривает применение современного оборудования при проведении опытов и стандартных стендовых испытаний, а также

использование теории тепломассообмена, проходящего внутри зерновки, гидродинамики и газовой динамики, методов планирования многофакгорного эксперимента и математического анализа получаемых результатов исследований.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса увлажнения зерна, которая показала возможность дальнейшей его интенсификации путем воздействия разряжения до орошения водой с последующей обработкой воздухом избыточного давления. Уточнены и описаны процессы проникновения влаги в зерновку, получены значения коэффициентов баровлагопроводности, термоградиентного коэффициента и коэффициента потенциалопроводности увлажненного зерна.

Практическая значимость работы. Предложенный метод проведения гидротермической обработки зерна перед помолом и разработанная машина для осуществления данного метода представляют значительный интерес для работников перерабатывающих предприятий различных форм собственности, а также студентов средних и высших учебных заведений сельскохозяйственного профиля. Научная новизна предложенного технологического и технического решений подтверждена заявками к патентованию в РФ.

Апробация. Основные положения диссертационной работы были представлены и одобрены на Международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2010-2011 гг.)

Реализация результатов исследования. По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по последовательности и продолжительности технологических операций обработки зерна в усовершенствованной увлажнительной установке; материалы исследований переданы в ООО «Агро-продмаш» и используются им в технологических процессах подготовки зерна к измельчению на базе выпускаемых им машин и оборудования; теоретические и практические данные используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 1110303.65 по направлению подготовки - 110300 «Аг-роинженерия» в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии и Ставропольском ГАУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, из которых 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, подано 3 заявки к патентованию (2 на способ и 1 на изобретение). На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Конструкция усовершенствованной увлажнительной установки, методика расчета продолжительности и последовательности технологических операций процесса увлажнения зерна.

2. Теоретические модели процессов проникновения и движения влаги в зерновке.

3. Методы интенсификации процесса увлажнения зерна.

4. Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед его помолом.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и выводов, списка использованной литературы и 3-х приложений, изложена на 181 странице машинописного текста, включая 46 рисунков и 25 таблиц. Список использованной литературы включает 124 источника, в том числе 12 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность исследуемого вопроса, даны характеристики объекта, предмета и методов исследования, определена значимость результатов работы для науки и практики, а также изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих методов и технических средств увлажнения зерна. Цель и задачи исследования» даны обзор и анализ существующих методов и технологий увлажнения, конструкций и режимов работы увлажнителей зерна, а также научных публикаций по вопросу исследования процесса гидротермообработки зерновых материалов перед помолом. Представлена классификация как методов проведения ГТО, так и машин и аппаратов для их осуществления, рассмотрены их основные параметры и характеристики. Определены цель и задачи дальнейших исследований.

Увлажнение зерна используется для лучшей очистки его от оболочек и зародыша при помоле, разрыхления эндосперма, что сокращает зольность муки и повышает её качество. Исследованию закономерностей этого процесса посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Начало их положено Д.И. Менделеевым, А.И. Курбатовым и В.Л. Левшиным более 100 лет назад. Большой вклад внесли профессора Г.А. Егоров, В.Я. Гришсон, Я.Н. Куприц, П.П. Тарутин, МЛ. Зицерман, Т.П. Петренко, В.П. Тарасов, Л.В. Анисимова, О.И. Хомутов и многие другие. Среди зарубежных ученых следует отметить Л. Альтрогге, Кемпбелл, Клеве, Г. Нюре, Джонса и Смитса.

Анализ их работ показал, что технология подготовки зерна к помолу обладает рядом существенных недостатков, среди которых:

- недостаточная смачиваемость поверхности зерновок при орошении их водой;

- значительные потери воды стоком с поверхности зерен при смешивании;

- большие затраты времени на последующее отволаживание зерна и необходимость в большинстве случаев повторного увлажнения зерна;

- увеличение количества бункеров для увлажнения зерна, количества обслуживающего персонала и площади цехов для обработки зерна. Следует отметить, что анализу процесса увлажнения зерна посвящено все

еще мало работ. Недостаточно исследована динамика движения влаги в зерновку, не раскрыты возможности и пути интенсификации процесса увлажнения зерна и связанной с этим процессом подачи влаги в зерновую массу, что вызывает необходимость проведения более обширных исследовательских работ в этой области обработки зерновых материалов при подготовке их к помолу.

К настоящему времени разработаны различные методы гидротермической обработки (ГТО) или кондиционирования зерна. Среди них холодное, горячее, скоростное и вакуумное кондиционирование. Наибольшее распространение во всех странах мира получило холодное кондиционирование с использованием специальных моечных или увлажнительных машин. Другие методы сопряжены с большими затратами энергии на привод и получение пара, что недоступно в условиях хозяйств и малых предприятий.

В связи с этим вопросы дальнейшего совершенствования процесса увлажнения зерна перед помолом актуальны как для науки, так и для практики первичной обработки и переработки зерна пшеницы.

Рабочая гипотеза заключается в том, что увлажнение зерна возможно интенсифицировать путем вакуумирования перед его орошением водой с последующим воздействием воздухом избыточного давления, что усилит проникновение влаги в зерновку через её поры.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса увлажнения зерна перед помолом» представлено обоснование усовершенствованного способа увлажнения зерна, описана функциональная схема усовершенствованной установки для гидротермической обработки зерна перед помолом, проведены теоретические исследования по определению параметров воздействия струй распылительно-увлажнительного устройства на поток зерновой массы. На основании проведенных теоретических разработок предложен процесс работы установки, состав и длительность технологических операций в нем по увлажнению зерна пшеницы перед помолом.

При увлажнении поверхность зерна смачивается водой и у его поверхности образуется, так называемый, гидродинамический пограничный слой, через который и происходит диффузия влаги от поверхности зерна к его сердцевине.

Механизм поглощения влаги зерном схематически представлен на рисунке 1.

Очевидно, что результаты увлажнения могут быть обеспечены определенной совокупностью параметров процесса.

После орошения зерна водой или погружения его в воду и последующих операций транспортировки и от-волаживания в бункерах часть поверхностной воды с зерен пшеницы испаряется в атмосферу и фактически ее расход на увлажнение несколько выше.

В связи с этим фактическое ее количество Жф на увлажнение будет: со.,- со, 4

4>вв

1 - зерно; 2 - пограничный слой; 3 - зона нанесения воды Рисунок 1 - Схема процесса проникновения влаги в зерно при увлажнении

"1

100-ш,

,кг,

(1)

где к — коэффициент, учитывающий потери жидкости увлажняемым зерном в атмосферу и на смачивание деталей транспортирующих систем и бункеров; О] - масса зерна до увлажнения, кг; са; и со2~ влажность зерна до и после увлажнения, %.

Для изучения вопроса воздействия струи жидкости на поток зерновой массы и процессов увлажнения зерна разработан испытательный стенд, схема которого представлена на рисунке 2.

Подача воды к распылителю осуществлялась под действием разности давлений: геодезического напора от уровня установки бака + разрежение (А) в бункере установки д ля орошения.

Орошение зерна водой при этом осуществлялось в зоне капельного распыления струи.

Объемный расход жидкости через отверстие жиклера составляет: 3

. (2)

ЛГ

(тхвсиь щ£>тя-

1 - бак для воды; 2 - трубопровод; 3 - жиклер; 4 - вакуумированный бункер Рисунок 2 - Схема подачи воды к распылителю

Q-S.VS. с

где V5 - средняя скорость по сечению потока, равная скорости истечения воды из жиклера, м/с; S - площадь «живого сечения» отверстия жиклера, м2, для отверстия круглого сечения

5 = 0,785 -¿LeV; dome - диаметр отверстия жиклера, м.

При последовательном соединении трубопроводов подачи воды к распылителю

скорость истечения струи из жиклера в соответствии с рисунком 2 составит:

у2 , м/с,

2-

Рвак | \ ^О2 Г у

1

(3)

где Реак-Рат-Ь - абсолютное давление воздуха в бункере 4, Па; - геоде-

зическое давление, Па; у - удельный вес воды, кг/м3; / - количество распылителей воды; Ъ1 — коэффициент, м/кг.

Вылетая из жиклера с этой скоростью, струя постепенно меняет свои характеристики и дробится до образования облака капель воды, причем скорость капли жидкости может быть определена по следующей зависимости:

V =

17,995-v2-p2-(u-V5)

6,4 -da

Re0-125

-g-sinar

•Pi

■t,

(4)

где у2и р2- кинематическая вязкость и плотность воздуха, м2/с и кг/м3;

и - скорость воздуха, м/с; р; - плотность воды в капле, кг/м3; а - угол вектора скорости капли с горизонталью, град; Яе - критерий Рейнольдса.

Образовавшиеся капли воды сталкиваются с зернами проходящего перед распылителем потока пшеницы. Скорость зерна после соударения с каплей воды составит:

_т1-У + т2-У2^(У-У2)-т1.к

(т1+т2)

' ,м/с

(5)

где тп} - масса капли воды, кг; тп2 - масса зерновки, кг; и ¥2 - скорость зерновки до и после соударения, м/с; к - коэффициент восстановления при ударе, равный примерно 0,5.

Таким образом, под действием капель жидкости при её распыле из форсунки или разбрызгивающего диска зерно несколько отклоняется от вертикального направления движения в зоне его орошения водой.

После увлажнения зерна распылением жидкости часть влаги, впитывается плодовыми и семенной оболочками, а также алейроновым слоем, часть заполняет микротрещины, поры и капилляры, и, наконец, значительная часть воды удерживается поверхностью зерна в результате его смачивания.

За счет свойств смачивания зерновка покрывается пленкой воды толщиной до 0,4 мм, равномерность распределения влаги на ней обеспечивается далее перемешиванием в смесителе увлажнительной установки.

В существующей технологии увлажнения зерна проникновение воды в зерно, собственно в его поры, осуществляется под атмосферным давлением и этому препятствует находящийся в этих порах воздух. Перемещение же влаги в зерне происходит за счет массообмена из-за градиента концентрации или факторов относительной влажности и температурного градиента.

В связи с этим предложена увлажнительная машина для зерна пшеницы (рис. 3), состоящая из корпуса 1, в котором на нижнем конце вертикального вала 2 закреплены зерноразбрасывающий диск 3 и форсунка 4. В верхней части корпуса 1 установлен бункер 7 для зерна, имеющий шлюзовой затвор 8. Выход зерна из загрузочного патрубка 6 закрыт заслонкой 9 с возможностью поворота ее совместно с осью 10, на которой имеется кулиса 11, соединённая тягой 12 с игольчатым клапаном 13, установленным в трубопроводе 14 подачи воды, которая контролируется расходомером 15.

В нижней части корпуса под форсункой закреплен шнек-смеситель 16, на выходном патрубке 17 которого установлен шлюзовой затвор 18, который сообщается с влагоснимателем 19 в виде шнека-смесителя. Привод шнека-смесителя 16 и влагоснимателя 19 осуществляется от электродвигателя 20 через редуктор 21 и цепные передачи 22 и 23.

На выходе из влагоснимателя 19 также установлен шлюзовой затвор 24 с выгрузным патрубком 25. Здесь же расположен выводной воздуховод 26, соединенный с циклоном 27.

Внутренняя полость корпуса 1 увлажнительной машины для зерна сообщается с полостью шнека-смесителя 16, которая герметизирована и соединена вакуум-проводом 28 с источником вакуума. В качестве источника вакуума используется ротационный вакуумный насос 29 с вакуум-баллоном 30 и регулятором вакуума 31.

Внутренняя полость влагоснимателя 19 также герметично изолирована от атмосферного давления и сообщается через перфорированный вал 32 шнека-смесителя трубопроводом 33 с источником избыточного давления воздуха (как вариант, с выхлопным патрубком насоса 29), образуя нагнетательную линию подачи нагретого воздуха во влагосниматель 19. В этой линии установлен регулятор 34 избыточного давления воздуха с манометром 35.

Увлажнительная машина для зерна работает следующим образом.

Перед увлажнением зерно загружается в загрузочный бункер 7 увлажнительной машины. Полости корпуса 1 и шнека-смесителя 16 сообщаются с источником вакуума, а полость влагоснимателя 19 - с источником избыточного давления воздуха.

Далее включается подача зерна в вакууми-рованный корпус 1 увлажнительной машины из бункера 7 через шлюзовой затвор 8. Зерно по пути к зерноразбрасывающему диску 3 вакуумируется и отбрасывается им к периферии. Одновременно под действием потока зерна из шлюзового затвора 8 заслонка 9 поворачивается и воздействует на кулису 11, которая через тягу 12 поднимает игольчатый клапан 13, открывая подачу воды через трубопровод 14 в распылитель. Количество подаваемой воды контролируется по показаниям расходомера 15 и устанавливается во взаимной связи с количеством поступающего на увлажнение зерна. Поток зерна увлажняется разбрызгиваемой водой и поступает в шнек-смеситель 16. За время смешивания часть жидкости впитывается в оболочки зерна, нарушая равновесное состояние влаги в нем и изменяя энергетический уровень всей биологической системы зерна, чему способствует и предварительное вакуумирование его.

Далее зерно из вакуумированной области корпуса 1 и после его обработки в шнеке-смесителе 16 подается шлюзовым затвором 18 в область последующей обработки его под избыточным давлением воздуха во влагоснимателе 19. За счет градиента или перепада давлений снаружи зерна (избыточное давление) и внутри зерна (вакуум) поверхностная влага интенсивно перемещается в оболочки и наружные слои эндосперма и впитывается в зерно. Этому способствует и температурный напор действия нагретого воздуха. Часть

1 - корпус; 2 - вертикальный вал; 3 - зернораз-брасывающий диск; 4 - форсунки; 5 и 20 - электродвигатель; 6 и 25 - загрузочный и выгрузной патрубки; 7 - бункер; 8, 18,24 - шлюзовые затворы; 9 - заслонка; 10 - ось; 11 - кулиса; 12 - тяга; 13 - игольчатый клапан; 14 - трубопровод; 15-расходомер; 16-шнек-смеситель; 17 - выходной патрубок; 19 - влагосниматель;

21 - редуктор; 22 и 23 - цепная передача; 26 - воздуховод; 27 - циклон; 28 - вакуум-провод; 29 - вакуумный насос; 30 - вакуум-баллон; 31 - регулятор вакуума; 32 - перфорированный вал; 33 - трубопровод; 34 - регулятор избыточного давления; 35 - манометр Рисунок 3 - Схема исследуемой увлажнительной машины для зерна

околоплодных оболочек зерна при этом отшелушивается и потоком воздуха уносится через воздуховод 26 в циклон 27, а обработанное в увлажнительной машине зерно шлюзовым затвором 24 через патрубок 25 подается в линию подачи его в бункера для отволаживания.

В предлагаемом способе для интенсификации процесса перемещения влаги в зерновку добавляется введенный нами фактор градиента давления, из-за чего продолжительность увлажнения может быть определена по зависимости, учитывающей совместное действие градиентов влажности температуры и давления:

ШОО-г^-СМО-в^-Сб^+ст-ц-в^ ц-кр-вр)

Т3 =

(6)

где

гз — длительность увлажнения, с; — масса зерновки после увлажнения, кг; г — условный радиус зерновки, м; - количество влаги, прошедшей через поверхность F зерновки за время т, кг; ц - коэффициент диффузии (влагопроводимости), град"1; кр - коэффициент баропроводносга зерна, м2/с; О, и - количество перемещаемой влаги в зерновку за счёт температурного градиента и перепада давлений, м3/с; # - количество воды, проникающей в единицу времени через единицу площади поперечного сечения зерновки, кг/с-м2; 5 — коэффициент термовлагопроводности, град"1.

Реализация третьего фактора осуществлялась установкой вакуум-насоса-компрессора путем вакуумирования зерна за время его полета в бункере до распылителя воды и подачи воздуха избыточного давления после вывода зерна из зоны вакуумной его обработки.

Производительность насоса для этого определяется следующим выражением:

ЗбОО-Г9»'^ ку « +60-кя ■Уя.пя ' ^зап ' Ратм

1 Гр Г*) Гз

[Ратм-Ь)

а расход воздуха через циклон ЗбОО-? ( й - „ '•* +

*

.зап Р V» атм .

60-к ■V

я я

П — я

3600-9

Г,

,м3/ч (7)

(8)

где к=к3-ку • кза„; кзап - коэффициент, запаса производительности насоса для

компенсации подсосов воздуха; к3и ку- коэффициенты расчёта поступления воздуха из пор зерна и подсосом в бункер из атмосферы; V, и кя -объём и количество ячеек шлюзового затвора; пя - частота вращения ротора шлюзового затвора, мин'1; у, и у, - удельные массы воздуха и зерна, кг/м3; Я- избыточное давление воздуха во влагоснимателе, Па.

Как известно, процесс отволаживания связан с особенностями морфологического строения и химического состава зерна. Процесс влагопереноса в зерне при отволаживании можно разделить на два периода: период активного разрыхления эндосперма зерна и релаксационный.

Влага, нанесенная на поверхность зерновки в процессе увлажнения, связана с плодовыми оболочками непрочной связью и может испариться, более прочное удержание и сохранение воды обеспечивается высокой степенью гид-рофильности низлежащих частей зерна. Вследствие набухания этих слоев зерна удельный объем его увеличивается, что влечет за собой проникновение влаги вглубь зерновки и повышает градиент влажности, что приводит к образованию в структуре эндосперма новых микротрещин, которые служат каналами для быстрого продвижения влаги в зерне и, как следствие, — к ускорению процесса отво-лаживания.

В процессе отволаживания зерно пшеницы набухает и размеры его увеличиваются, что влияет на общий объем увлажненной массы и коэффициент её скважистости, определяемый по формуле

Кп(9) уб

где Уб и К„ - объемы бункера для зерна и пор между зернами в нём, м3.

Следовательно прирост объема зерна в бункере высотой после увлажнения будет:

= = (10) "I п\

где Ъ — коэффициент увеличения условного диаметра зерна после увлажнения.

Это необходимо учитывать при расчете емкости бункеров для отволаживания зерна.

Технологический процесс обработки зерна пшеницы в увлажнительной установке включает следующие операции: загрузку зерна Г/, вакуумирование ¡2, орошение водой перемешивание Х4, воздействие воздухом избыточного давления /5, наружную подсушку и выгрузку.

Таким образом, общая продолжительность обработки зерна в исследуемой увлажнительной установке составит:

Г = '.+'2+'з+'4+'5+'з.О.,Ч,

где и 0. — затраты времени на загрузку зерна в установку и выгрузку из неё.

Третья глава — методическая. Для проведения экспериментальных исследований операций вакуумирования зерна, орошения его водой, смешивания и воздействия на него воздухом избыточного давления изготовлена лабораторная установка циклического действия (рисунок 4), включающая бункер, разделенный перегородкой на две части, шнек между этими частями бункера, шлюзовой затвор в линии подачи зерна, распылитель, вакуумный насос, компрессор и приборы контроля и регулировки рабочих параметров.

По мере увлажнения зерна его физико-механические свойства меняются. Для исследования их использовались следующие приборы и приспособления:

- установка ТМ - для определения коэффициентов трения увлажненного зерна по различным материалам;

- набор пластин из этих материалов и фотокамера - для определения краевого угла смачивания ©;

Лкаениебоди -°

¡¡Лоте Ооздухо —

Яюете 'сухого'яра -ч— /Яижене 'нокрого'зерна -х-«-

1 - вертикальный шнековый смеситель; 2 - форсунка; 3, 8 и 16 - вентиль; 4 - шлюзовой

затвор; 5 - загрузочный бункер; 6 - шнек; 7 - кожух шнека; 9 - вакуум-баллон; 10 - вакуум-регулятор; 11 - вакуумный насос; 12 - глушитель; 13 - фильтр воздушный; 14 - компрессор; 15 - манометр; 17 - шиберная заслонка; 18 - выгрузной патрубок Рисунок 4 - Общий вид и схема лабораторной установки для исследования процесса увлажнения зерна

- установка для определения удельной межфазной энергии жидкость-воздух (см. рисунок 8) по давлению Рк срыва пузырька воздуха с капилляра, погруженного в подогреваемую жидкость в двухстенной колбе;

- муфельная печь с набором тиглей для определения влажности зерна и его частей;

- установка для определения пропускной способности микрокапилляров зерна и оболочек (рисунок 5), состоящая из резервуара 6, закрепленного на штативе и имеющего патрубок с насадком для зерновки или его частей 9, дополнительной емкости 3 и вакуумного насоса 15. В процессе опыта в сосуд 6 наливали воду, а в сосуде 3 создавалось разрежение, соответствующее надкритическому или подкритическому режиму течения газа через зерновку. Затем краны 5 и 8 открывались. Над уровнем жидкости в сосуде 6 создавалось разрежение, регистрируемое вакуумметром 10. Воздух просывался через зерновку, вернее её капилляры, и вытеснял часть жидкости в сосуд 3. Далее определялась длительность истечения 50 мл жидкости в сосуд 3. Он соответствовал расходу разреженного воздуха, прошедшего через зерновку и после приведения к атмосферному давлению служил для определения по этой формуле произведения /л-/п, т.е. «живого» сечения всех микроканалов зерновки или её частей, так как непосредственное измерение их сечения к настоящему времени невозможно.

Коэффициенты мас-сообмена определялись на установке с металлической шарообразной колбой, внутрь которой помещались исследуемые зерновки. Она оборудовалась нагревателем и двумя термопарами, одна из которых монтировалась в высверленное отверстие зерновки. Термоградиентный коэффициент определялся по известной в термодинамике методике. Коэффициенты потенциалопро-водности и баровлагопро-водности определялись по углу наклона кривых распределения влажности в зерновке по мере её выдержки.

Для определения пористости зерновой массы использован прибор, описанный В.П. Стальным в его диссертационной работе (АЧГАА, г. Зерноград).

Процессы орошения зерна водой исследовали на установке (рисунок 6), включающей линию подачи воды через расходомер под регулируемым давлением к форсунке, вакуумированным баком для сбора воды, через прозрачные стенки которого производили фотосъемку факела распыла воды.

1 - кран; 2 - вакуум-регулятор; 3 - емкость; 4, 7 - трубки; 5, 8, 12 - краны; 6 - стеклянный цилиндр; 9 - насадок; 10 - ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2; 11 - воронка; 13 - штатив; 14-кронштейны Рисунок 5 - Установка для определения пропускной способности капилляров зерновки

1,7, 10 - краны; 2 - расходомер; 3 - манометр; 4 - насадок; 5 - бак; 6 - ртутный дифференциальный манометр; 8 - регулятор давления; 9 - лопастной вакуумный насос Рисунок 6 - Схема установки для определения структуры струи и гидравлического сопротивления насадка при истечении жидкости, находящейся под давлением, в воздушную среду под вакуумом

В опытах исследованы различные насадки (рисунок 7). По их результатам определяли коэффициент расхода, скорость воды, структуру получаемой струи воды и размер образующихся капель.

В четвертой главе даны результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом. Обработка экспериментальных данных производилась известными методами статистики.

В результате опытов процесса орошения зерна водой установлено, что вылетающая из насадка струя имеет начальный и основной участки сплошного потока воды и зону капельного распыления, обеспечивающую наилучшее смачивание поверхности зерна.

Из-за ограниченности места монтажа распылителей под бункером увлажнительной установки первые два участка струи должны быль короткими. Это обеспечивает отверстия в стенке такой трубы, цилиндрические насадки и насадки с расширением к выходу, имеющие коэффициент расхода в пределах 0,6.,.0,64.

Диаметр образующихся капель в зоне распыла зависит от скорости струи и перепада давлений на входе и выходе из сопла. Анализ поверхности зерновок после орошения показал, что лучшее качество смачивания обеспечивают более мелкие капли. Капли диаметром более 1 мм хуже смачивают зерно. Более мелкие капли и большие скорости их получены при перепадах давлений в насадке 45 и более кПа.

Физико-механические свойства увлажненного зерна существенно меняются в сравнении и исходным сухим зерном пшеницы:

• Размеры зерновок по мере насыщения их водой увеличиваются, хотя коэффициент пористости зерновой массы при этом практически не меняется, что соответствует теоретическим данным. Увеличение объема зерновой массы в пределах увлажнения до нормативной влажности для распространенных сортов

г! а 1

Рисунок 7 - Исследуемые формы насадков для распылителей воды

пшеницы составляет около 7%, что необходимо учитывать при выборе бункеров для отволаживания его.

• Объемная масса зерна снижается, коэффициент внутреннего трения несколько повышается, а трения покоя и движения снижаются из-за поверхностной пленки свободной воды, выполняющей роль смазки.

• Краевой угол смачивания поверхности зерна пшеницы не превышает 80°, что свидетельствует о его гидрофобности, и снижается по мере его увлажнения, что в контакте смоченных зерен увеличивает энергию ауготезии, повышая затраты на последующее смешивание зерна.

• Среди теплофизических характеристик при изменении влажности зерна в пределах 10-16% весьма существенно увеличиваются удельная его теплоемкость и коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности остается практически постоянным.

• Коэффициент потенциалопроводности Ощ характеризует скорость изменения влагопереноса в зерновке. Чем он выше, тем больше скорость массообмена. Вполне закономерно, что по мере насыщения зерновки водой он резко снижался.

• И, наконец, характеристики пористости зерновки: поры и капилляры в ней образуют сложную пневматическую систему, имеющую как местные сопротивления, так и микротрубопроводы. Пропускная способность их характеризуется произведением коэффициента расхода на площадь сечения микроканалов и зависит от размера зерновки. Получены значения их для зерновки и оболочек, они в тысячи раз превышают площадь сечения молекул воды.

Объем пустот в зерновке не превышает 1 мм3. Капилляры заполнены воздухом, который препятствует насыщению зерна свободной влагой при атмосферном давлении, как в существующей технологии увлажнения.

Откачка воздуха из зерновки до разряжения 50 кПа занимает в среднем 0,26 с, что определяет и место установки распылителей для орошения зерна водой в исследуемой установке.

Минутная выдержка вакуумированного зерна в воде по данным таблицы 1 повышает поглотительную способность его почти на 50% в сравнении с выдержкой зерна в воде при атмосферном давлении, т.е. поры его в большей мере наполняются свободной водой.

Поглотительная способность зерна при этом зависит от его стек-ловидности, у мягких пшениц она выше. Увеличение глубины вакуума в этих опытах вызывало большее проникновеннее воды в зерновку. Характер этой зависимости линейный. По данным рисунка 8 процесс заполнения пор свободной влагой занимает более 50 с, что обеспечивается выдержкой увлаж-ненного зерна в вакуумированном смесителе.

Таблица 1 - Поглощение воды в % от массы зерна пшеницы сорта «Юбилейная 100» при различной выдержке его при вакууме 50 кПа и исходной влажности 10%

Длительность выдержки зерна в воде, с Приращение дИгводывусловиях,%

аахууыиро ванне атмосферное давление

[три температуре воды

15°С 30*С 15"С 30°С

5 0.55 0.70 0.32 0,45

10 1,01 1,35 0,80 1,00

20 1.82 2.04 1Л1 1.46

40 2.61 2.97 1,92 2,16

60 3,80 4.17 2,62 2.86

300 5,30 5,63 3.58 3.80

600 8,55 8.82 6,60 6.85

о

а

ш

%с

53.

а V го за ш

1 — стскловидность 30%;

2 - стекловидность 62% Рисунок 8 - Зависимость влажности

зерна пшеницы «Юбилейная 100» от времени её увлажнения

Таблица 2 - Влияние воздуха избыточного давления на относительную влажность вакуумированного увлажненного зерна (длительность вакуумной обработки 60 с, глубина вакуума 50 кПа)

У,% За это время толщина пленки воды на

£, • • • | ••____зерновке уменьшается практически в 2 раза

и составляет не более 0,2 мм.

Обычно такое мокрое зерно сразу же подается на отволаживание и процессы массообмена в нём занимают длительное время. По данным таблицы 2 при последующем воздействии на покрытое влагой ва-куумированное зерно воздухом избыточного давления 20.. .40 кПа в течение 30.. .40 с оно поглощает дополнительно около 1% влаги и в какой-то мере подсушивается.

Коэффициент баропроводности при этом составляет 0,0011-Ю"19 м2/с. Он аналогичен коэффициенту диффузии, однако, в сотни раз ниже его, что свидетельствует о том, что процесс впитывания воды во влагоснимателе носит не диффузионный, а скорее механический характер.

Введение этой технологической операции в предлагаемый способ увлажнения зерна пшеницы дает возможность «вогнать» в зерно всю свободную влагу, используемую для повышения влажности зерна, быстрее и полнее запустить далее процессы массообмена в зерновке и последующие химические и биологические преобразования структуры эндосперма.

На рисунке 9 представлены сравнительные данные по поглощению влаги зерном пшеницы в исследуемой установке при различных способах увлажнения: орошением при атмосферном давлении (1); орошением под вакуумом (2); орошением под вакуумом с последующим воздействием воздухом избыточного давления (3).

Предлагаемый способ имеет явные преимущества по наполнению зерна влагой до операций отволаживания.

Таким образом, процесс увлажнения зерна пшеницы перед помолом может быть представлен следующими технологическими операциями:

- загрузкой в потоке;

- вакуумированием зерновок под вакуумом 40...50 кПа в течение 0,26...0,4 с;

- капельным орошением зерна под этим вакуумом в течение 0,06 с;

- смешиванием под вакуумом в течение 90 с;

Продолжитесь кость обработки зерна давлением, с Относительная влажность зерна. %

при давления воздуха Л=120гПа при давлении воздуха />.=■ 140 ЙЬ

теылгргпура воздуха, °С температура воздуха, °С

20°С 60°С 20°С бО^С

0 15,5 15,5 15.5 153

5 15,7 15,8 15.8 16,0

10 15.9 16,0 16.0 16,2

20 16.0 16.1 16,2 163

30 16,2 163 163 16,4

60 16.4 163 16.7 163

300 16,4 16.2 16.7 16,4

600 16,3 16.1 16,5 16,3

- обработкой воздухом избыточного давления 30 кПа в течение 90 с, из них подсушка в течение 30 с;

- выгрузка шлюзовым затвором для подачи на отволаживание.

Зона орошения и перемешиваний

Зона удаления поверхностной елаги

У" 3,0429x4 1,2 К* = 0,9 429**9,242! 112 . «о*

* »»-0,11 43х*+1.5643-Я» = 0,9798 * 8,9571

> «,0б67х*+ 1( (Р «О, 1333X4 9,414 1716

**

...

сносов №1 способ №3 • Полиномиальная (способ Ш2)

А способ Ыв2

-полиномиальная (способ №1)

- полиномиальная (способ нвз)

1 - увлажнение при атмосферном давлении; 2 - увлажнение в вакууме; 3 - увлажнение под вакуумом (й=50 кПа) с последующим воздействием давлением воздуха (А/=130 кПа) Рисунок 9 - Сравнительный график способов увлажнения зерна пшеницы в исследуемой установке

На выходе из установки влага распределена по объему зерновки неравномерно. Оболочки и ближайшие к ней слои зерна содержат большую часть влаги, к центру зерна воды меньше. Градиент влажности составляет 1,3-10"6 кг/м.

За время отволаживания устанавливается равновесная влажность всей зерновки. По данным экспериментов в серийной технологии отволаживание зерна завершается в среднем за 14 часов, а в предлагаемой — за 6...7 часов, что подтверждается и теоретическими данными.

Факт завершения процесса отволаживания зерна определялся по зольности муки — основному показателю её качества. Зольность муки из зерна, обработанного по предлагаемой технологии, не превышала стандартных значений.

Следовательно, процесс увлажнения зерна может быть интенсифицирован вакуумированием его до увлажнения с последующей обработкой воздухом избыточного давления, что сокращает затраты времени и средств на отволаживание, уменьшает количество обслуживающего персонала.

В пятой главе приведены результаты расчетов экономической эффективности использования усовершенствованной установки для увлажнения зерна. Установлено, что при производительности установки 10 т/ч и трёхсменной работе цеха, в сравнении с базовой технологией, на основе серийной увлажни-

тельной установки ЗУМ-2, предлагаемая обеспечивает сокращение затрат труда до 33%, а эксплуатационных затрат - почти на 28%. Годовая экономия может составить около 430 тыс. руб. при сроке окупаемости 1,15 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана классификационная схема способов и средств увлажнения зерна перед помолом. Наибольшее распространение получил способ «холодного» кондиционирования зерна, который сопровождается большими затратами времени (14—16 часов) на последующее отволаживание его и затратами средств на бункера и площади цехов для технологических операций отволаживания.

2. Первичный этап проникновения влаги в зерновку при орошении её водой в существующей технологии увлажнения зерна перед помолом ограничивается наличием воздуха в макро- и микропорах зерновки. Предварительное вакуумирование их перед орошением водой повышает их влагоем-кость. Длительность вакуумирования зерновки определяется выражениями (2.71, 2.72), составляет при вакууме 55 кПа для зерновки с условным диаметром 4 мм не менее 0,26 с и зависит от её пропускной способности, которая в основном ограничена площадью «живого» сечения микрокапиллярами оболочек и в среднем равна 0,02-10"9 м3.

3. По мере насыщения зерна пшеницы водой коэффициенты трения его по основным конструкционным материалам технологической линии увлажнения снижаются. Это снижение в пределах нормативного увлажнения зерна перед помолом составляет от 8 до 10%, что существенно не влияет на затраты энергии в системе его транспортировки по мере обработки увлажнением. С повышением влажности зерна снижается и краевой угол смачивания его, изменяясь в среднем на 1° на каждый процент повышения влажности. Повышение влажности зерна пшеницы от 10 до 16% практически не влияет на пористость зерновой массы, но ведет к увеличению условного диаметра зерновки на 6...7%, что необходимо учитывать при расчете вместимости бункеров для отволаживания.

4. Операции орошения вакуумированного зерна водой целесообразно осуществлять струей из распылителя в зоне капельного её распыления с насадками цилиндрической формы с коническим входом, имеющими коэффициент расхода 0,6...0,62 и угол расширения факела от 33 до 40°. Диаметр капель воды при этом должен составлять 0,3... 1 мм, что обеспечивает формирование поверхностной пленки жидкости на каждой зерновке и поглощения около 5% воды операцией последующего перемешивания зерна в вакуумированном смесителе в течение 70.. .90 с.

5. Обезвоживание поверхности зерна после перемешивания рекомендуется производить воздействием воздуха избыточного давления величиной 30 кПа в течение 70...90 с. Процесс переноса поверхностной влаги в зерновку при этом носит не диффузионный, а в большей мере механический характер вдавливания воды в вакуумированные ранее полости зерновки. Коэффициент баропереноса при этом аналогичен коэффициенту диффузии и составляет порядка 0,0011-10'19 м2/с.

6. Получены математические модели движения влаги в зерновке (2.40, 2.25, 2.46), интенсификации этого процесса путем вакуумирования зерновки до разряжения 55 кПа и последующего воздействия на неё воздухом избыточного давления 30 кПа (2.49), а также модели взаимодействия капель орошаемой воды с зерновкой (2.27), положены в основу разработки усовершенствованной увлажнительной установки.

7. Продолжительность отволаживания зерна после обработки в усовершенствованной увлажнительной установке сокращается до 6...7 часов или в 2 раза по сравнению с серийной технологией на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 при равных показателях зольности муки 0,60.. .0,65.

8. Обоснован набор, последовательность и продолжительность операций усовершенствованной технологии увлажнения зерна перед помолом, включающий:

• загрузку зерна в бункер увлажнительной установки шлюзовым затвором;

• вакуумирование зерна при разряжении 40.. .55 кПа в течение 0,4 с;

• орошение зерна водой разбрызгиванием под вакуумом в течение 0,06 с;

• перемешивание зерна в условиях вакуума в течение 90 с;

• обработку во влагоснимателе при давлении воздуха 30 кПа в течение 90 с;

• выгрузку зерна в потоке шлюзовым затвором;

• отволаживание зерна в течение 6.. .7 часов.

Внедрение её на основе усовершенствованной увлажнительной установки, в сравнении с серийной технологией, на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 может обеспечить сокращение удельных эксплуатационных затрат на 27,87%, трудоемкости процесса на 33,3% и получение годовой экономии около 430 тыс. руб. при сроке окупаемости 1,15 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

- публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Перекрест, Ф.О. Влияние вакуумирования зерна пшеницы на процесс его увлажнения / Ф.О. Перекрест, И.А. Кравченко // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011. - С. 199-200.

2. Перекрест, Ф.О. Увлажнение зерна пшеницы перед помолом / Ф.О. Перекрест, И.Н. Краснов // Сельский механизатор. - 2011. - № 3. - С. 29.

- публикации в других изданиях:

3. Перекрест, Ф.О. Анализ процессов увлажнения зерна в технологии его размола / Ф.О. Перекрест // Совершенствование технологических процессов и технических средств в АПК: сб. научн. тр. - Вып. 9. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011.-С. 63-65.

4. Перекрест, Ф.О. Совершенствование технологического процесса увлажнения зерна перед его размолом / Ф.О. Перекрест // Совершенствование технологиче-

ских процессов и технических средств в АПК: сб. научн. тр. - Вып. 9. - Зерно-град: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2011. - С. 66-69.

5. Перекрест, Ф.О. Интенсификация насыщения зерна влагой / Ф.О. Перекрест, И.Н. Краснов // Вестник аграрной науки Дона. - Зерноград: ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. -№ 1(№ 17).

- свидетельства о государственной регистрации:

6. Заявка 2011111890 Российская Федерация, МПК9 АО 1С 1/06. Способ обработки зерна перед посевом / Таранов М.А., Краснов И.Н, Кравченко И.А., Назаров И.В., Перекрест Ф.О.; патентообладатель Азово-Черноморская государственная агро-инженерная академия - № 2011111890; заявл. 29.03.2011.

7. Заявка 2011116868 Российская Федерация, МПК9 В02В 1/06. Увлажнительная машина для зерна / Краснов И.Н, Удовкин А.И., Кравченко И.А., Перекрест Ф.О.; патентообладатель Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия - № 2011116868; заявл. 27.03.2011.

8. Заявка 2011108801 Российская Федерация, МПК9 В02В 1/08. Способ увлажнения зерна перед помолом / Краснов И.Н, Кравченко И.А., Перекрест Ф.О.; патентообладатель Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия-№ 2011108801; заявл. 09.03.2011.

ЛР 65-13 от 15.02.99. Подписано в печать 19.04.2012. Формат 60x84/16. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 148.

© РИО ФГБОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Советская, 15

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ существующих методов и технических средств увлажнения зерна. Цель и задачи исследования.

1.1. Обзор существующих методов и технологий для увлажнения зерна перед помолом.

1.2. Анализ конструкций и режимов работ увлажнителей зерна.

1.3. Классификация машин для гидротермической обработки зерновых материалов.

1.4. Анализ научных публикаций по исследованию процесса гидротермической обработки зерновых материалов.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. Теоретические исследования процесса увлажнения зерна перед помолом.

2.1. Обоснование способа увлажнения зерна.

2.2. Функциональная схема усовершенствованной установки для гидротермической обработки зерна перед помолом.

2.3. Расход воды на увлажнение.

2.4. Взаимодействие струй распылительно-увлажнительного устройства с потоком зерновой массы.

2.5. Анализ движения влаги в материале зерновки.

2.6. Расход воздуха установкой для увлажнения зерна.

2.7. Интенсификация процесса увлажнения зерна разностью давлений вне и внутри зерновки.

2.8. Анализ процесса отволаживания зерна. Объем бункеров, скважистость влажного зернового материала.

Выводы по главе.

3. Программа и методика экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна.

3.1. Общая программа экспериментальных исследований работы увлажнительной установки.

3.2. Методика определения физико-механических свойств зерна.

3.3. Методика определения показателей смачиваемости зерна и конструкционных материалов исследуемой увлажнительной установки водой.

3.4. Методика определения коэффициента скважистости.

3.5. Описание экспериментальной установки для исследования процесса увлажнения зерна пшеницы.

3.6. Методика определения гидродинамических показателей увлажнения зерна.

3.7. Методика определения пропускной способности оболочки материала зерновки.

3.8. Методика определения показателей влагопроводимости слоев, термовлагопроводимости и баровлагопроводимости зерна.

4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.1. Изменение физико-механических свойств зерна пшеницы при увлажнении в исследуемой увлажнительной установке.

4.2. Теплофизические свойства увлажнённого зерна пшеницы.

4.3. Перенос влаги в зёрнах пшеницы при её увлажнении.

4.4. Интенсификация процесса увлажнения зерна перед помолом

4.5. Результаты исследований процесса орошения зерна водой в увлажнительной установке.

4.6. Определение набора, последовательности и продолжительности операций процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

4.7. Длительность отволаживания зерна после обработки в исследуемой увлажнительной установке.

Выводы по главе.

5. Экономическая эффективность внедрения результатов исследования

5.1. Исходные данные и методика расчета экономической эффективности использования усовершенствованной установки для увлажнения зерна.

5.2. Результаты расчета экономической эффективности внедрения усовершенствованной технологии увлажнения зерна.

Выводы по главе.

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения населения качественными продуктами питания, решение которой возложено на перерабатывающую отрасль, том числе в малых хозяйственных образованиях страны.

Важной задачей, стоящей перед работниками мукомольной промышленности, является повышение выхода и качества готовой продукции. Решение ее невозможно без применения новых и совершенствования известных способов увлажнения и отволаживания зерна перед помолом.

Значение новых способов увлажнения зерна с последующим его отво-лаживанием приобрело особую важность в сегодняшних условиях, так как количество производителей возросло, а размер партий зерна, поставляемых от каждого производителя в отдельности уменьшился. Появилось и большое количество мелких предприятий по переработке зерна, которым промышленные методы обработки зерна перед помолом не доступны по экономическим показателям.

В связи с этим разработка новых и дальнейшее совершенствование существующих способов увлажнения зерна, как и машин для их выполнения, является достаточно актуальным научным вопросом общей проблемы первичной обработки и переработки зерна.

Гидротермическая обработка зерна (ГТО) - это совокупность мероприятий при подготовке зерновой смеси к переработке, которые целью своей имеют улучшение технологических свойств зерна, для получения наибольшего выхода продукта с лучшими качествами [111,119], в том числе и применительно к малым предприятиям.

Применение современных методов гидротермической обработки связано с использованием специальных машин и аппаратов, осуществляющих воздействие на зерно в заданном режиме.

В нашей стране гидротермическая обработка зерна при подготовке его к помолу начала применяться более 100 лет назад. Большой вклад в становление и развитие ее внесли знаменитые русские ученые Д. Менделеев, А. Курбатов, В. Левшин и другие [72].

В мукомольной промышленности давно используют способ гидротермической обработки как средство улучшения технологических свойств зерна. Недавние исследования в этой области показали, что современные методы гидротермической обработки повышают выход и качество готовой продукции при одновременном снижении удельного расхода энергии на размол. Поэтому применение данного метода обработки в условиях крупных мельниц экономически целесообразно. В настоящее время аппаратами для «горячего» и скоростного кондиционирования зерна оснащено множество мукомольных предприятий. Несмотря на все это научные вопросы увлажнения зерна при подготовке его к дальнейшей стадии переработки остаются актуальными особенно сейчас, в период всемирного экономического кризиса и тенденции переработки его непосредственно у производителя.

Цель гидротермической обработки зерна - изменение его исходных технологических свойств в направлении стабилизации и поддержании их на оптимальном уровне для дальнейшего процесса переработки его в конечную продукцию - муку или крупу.

Поступающее на предприятия зерно обычно имеет невысокую влажность, различие в технологических свойствах оболочек и эндосперма незначительны, следовательно, разделить их весьма проблематично, переработать такое зерно трудно. При проведении гидротермической обработки стараются усилить данные различия, согласно направленности перерабатывающих предприятий. Например, на мукомольных предприятиях пытаются снизить прочность эндосперма и повысить прочность оболочек, а на крупяных наоборот, повысить прочность эндосперма и соответственно снизить прочность оболочек. На комбикормовых заводах применяется гидротермическая обработка с целью повышения питательности комбикормов. Степень различия технологических свойств определяется конкретным способом обработки и прежде всего, особенностями взаимодействия зерна с водой [85].

Согласно проведенным исследованиям профессора Г.А. Егорова, В.Я. Гришсона, Я.Н. Куприца и других отечественных ученых выявлено, что зерно является сложным по структуре и свойствам объектом природы и живым организмом. При этом вода является неотъемлемым компонентом зерна на всех стадиях своего существования [35, 70]. Такое тесное взаимодействие воды с зерном обусловлено морфологическими особенностями последнего.

Как было отмечено выше, зерно представляет сложное тело, состоящее из естественных высокополимеров (биополимеров), основными из которых являются белки и углеводы (крахмал, клетчатка и др.)

Зерно обладает сильной изменчивостью, свойства его определяются не только сортом и типом, но и в большей степени, условиями района, в котором выращен тот или иной сорт пшеницы. Технологам известно, насколько различаются свойства зерна пшеницы одного и того же сорта выращенного, к примеру, в Поволжье и восточных районах нашей страны.

Несмотря на имеющееся разнообразие зерна в процессе его переработки на мельнице необходимо обеспечить высокое качество получаемой продукции. Это частично решается созданием помольных партий, другой вариант - это гидротермическая обработка.

В связи с этим одним из направлений исследования процесса гидротермической обработки является поиск способов интенсивного увлажнения зерна [112]. Для этого необходимо более полно раскрыть механизм взаимодействия зерна с водой.

В результате обработки зерна ослабляются связи между оболочками и эндоспермом; структура оболочек становится пластично-вязкой. При этом действии вода создает напряженное состояние капилляров набухших оболочек, которому сопутствует концентрация местных напряжений на отдельных участках. Все это в совокупности облегчает отделение оболочек с минимальными потерями эндосперма.

В мукомольной промышленности применяют два вида обработки зерна водой:

• увлажнение, при котором стремятся к тому, чтобы вода через поры проникала в определенном количестве в оболочки для изменения структуры зерна;

• мойку для очистки наружных покровов зерна и особенно бороздок от приставшей пыли и микроорганизмов, а также для выделения из массы зерна легких и тяжелых примесей.

Опытным путем установлено, что при выдержке зерна в воде в пределах 12 секунд вода удерживается только на поверхности и им не поглощается. Последующее центрифугирование приводит к тому, что количество воды на поверхности зерна не превышает 1. .2%.

Теплая вода более прочно удерживается на поверхности зерна, поэтому зерно увлажняется быстрее. Проведение многочисленных экспериментов показало, что с повышением температуры количество пленочной воды на зерне уменьшается, однако ее остаток на поверхности зерна после центрифугирования несколько увеличивается благодаря лучшей связи смачивания.

Так, например, если после погружения на 5 секунд в воду с температурой 20°С на нем остается 20% воды (от массы зерна), то при температуре воды в 40°С на зерне остается 11% воды. Соответственно после 5 секунд отво-лаживания с последующим обезвоживанием поверхности зерна фильтрованной бумагой на поверхности остается 1,7 и 2% воды.

Актуальность решения вопроса интенсификации процесса увлажнения зерна в технологии его размола связана с необходимостью повышения выхода продукции более высокого качества и уменьшения временных затрат.

Объектом исследования выступает технология увлажнения зерна и процесс работы увлажнительной установки.

При этом предполагается, что процесс увлажнения зерна может быть интенсифицирован путем предварительного вакуумирования его до увлажнения и последующего воздействия воздухом избыточного давления, что может ускорить проникновение влаги в зерновку через её поры и сократить длительность отволаживания.

Цель исследования - интенсификация технологического процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

Работа содержит введение и пять глав. Во введении сформулирована актуальность исследуемого вопроса, даны характеристики объекта, предмета и методики исследования, определена значимость результатов работы для науки и практики и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих методов и технических средств увлажнения зерна. Цель и задачи исследования» дан обзор и анализ существующих методов и технологий, конструкций и режимов работы увлажнителей зерна, а также научных публикаций по вопросу исследования процесса гидротермообработки зерновых материалов перед помолом. Представлена классификация как методов проведения ГТО, так и машин и аппаратов для их осуществления, рассмотрены их основные параметры и характеристики. Определены цель и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса увлажнения зерна перед помолом» представлено обоснование усовершенствованного способа увлажнения зерна, описана функциональная схема усовершенствованной установки для гидротермической обработки зерна перед помолом, проведены теоретические исследования по определению параметров воздействия струй распылительно-увлажнительного устройства на поток зерновой массы. На основании проведенных теоретических разработок предложен процесс работы установки, состав и длительность технологических операций в нем по увлажнению зерна пшеницы перед помолом.

В третьей главе дана методика проведения экспериментальных исследований операций вакуумирования зерна, орошения его водой, перемешивания и воздействия на него воздухом избыточного давления, а также методика определения физико-механических свойств зерна по мере его увлажнения.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом» представлены обработанные известными методами статистики данные лабораторных наблюдений и измерений.

В пятой главе приведены результаты расчетов экономической эффективности использования усовершенствованной установки для увлажнения зерна.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели процесса увлажнения зерна, которая показала возможность дальнейшей его интенсификации путем воздействия разряжения до орошения водой с последующей обработкой воздухом избыточного давления. Уточнены и описаны процессы проникновения влаги в зерновку, получены значения коэффициентов баровлагопроводности, термоградиентного коэффициента и коэффициента потенциалопроводности увлажненного зерна.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Конструкция усовершенствованной увлажнительной установки, методика расчета продолжительности и последовательности технологических операций процесса увлажнения зерна.

2. Теоретические модели процессов проникновения и движения влаги в зерновке.

3. Методы интенсификации процесса увлажнения зерна.

4. Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед его помолом.

Автор выражает признательность доктору технических наук Краснову И. Н. и кандидату технических наук Кравченко И.А. за помощь, оказанную при выполнении настоящей работы, а также всему коллективу кафедры МТП и ГТСХП ФГБОУ ВПО АЧГАА, способствующему успешному завершению исследований по теме диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Разработана классификационная схема способов и средств увлажнения зерна перед помолом. Наибольшее распространение получил способ «холодного» кондиционирования зерна, который сопровождается большими затратами времени (14 - 16 часов) на последующее отвола-живание его и затратами средств на бункера и площади цехов для технологических операций отволаживания.

2. Первичный этап проникновения влаги в зерновку при орошении её водой в существующей технологии увлажнения зерна перед помолом ограничивается наличием воздуха в макро- и микропорах зерновки. Предварительное вакуумирование их перед орошением водой повышает их влагоемкость. Длительность вакуумирования зерновки определяется выражениями (2.71, 2.72), составляет при вакууме 55 кПа для зерновки с условным диаметром 4 мм не менее 0,26 с и зависит от её пропускной способности, которая в основном ограничена площадью «живого» сечения микрокапиллярами оболочек и в среднем равна

0,02-10"9 м3.

3. По мере насыщения зерна пшеницы водой коэффициенты трения его по основным конструкционным материалам технологической линии увлажнения снижаются. Это снижение в пределах нормативного увлажнения зерна перед помолом составляет от 8 до 10%, что существенно не влияет на затраты энергии в системе его транспортировки по мере обработки увлажнением. С повышением влажности зерна снижается и краевой угол смачивания его, изменяясь в среднем на 1° на каждый процент повышения влажности. Повышение влажности зерна пшеницы от 10 до 16% практически не влияет на пористость зерновой массы, но ведет к увеличению условного диаметра зерновки на 6.7%, что необходимо учитывать при расчете вместимости бункеров для отволаживания.

4. Операции орошения вакуумированного зерна водой целесообразно осуществлять струей из распылителя в зоне капельного её распыления с насадками цилиндрической формы с коническим входом, имеющими коэффициент расхода 0,6.0,62 и угол расширения факела от 33 до 40°. Диаметр капель воды при этом должен составлять 0,3. .1 мм, что обеспечивает формирование поверхностной пленки жидкости на каждой зерновке и поглощения около 5% воды операцией последующего перемешивания зерна в вакуумированном смесителе в течение 70.90 с.

5. Обезвоживание поверхности зерна после перемешивания рекомендуется производить воздействием воздуха избыточного давления величиной 30 кПа в течение 70.90 с. Процесс переноса поверхностной влаги в зерновку при этом носит не диффузионный, а в большей мере механический характер вдавливания воды в вакуумированные ранее полости зерновки. Коэффициент баропереноса при этом аналогичен коэффициенту диффузии и составляет порядка 0,0011-Ю"19 м2/с.

6. Получены математические модели движения влаги в зерновке (2.40, 2.25, 2.46), интенсификации этого процесса путем вакуумирования зерновки до разряжения 55 кПа и последующего воздействия на неё воздухом избыточного давления 30 кПа (2.49), а также модели взаимодействия капель орошаемой воды с зерновкой (2.27), положенны в основу разработки усовершенствованной увлажнительной установки.

7. Продолжительность отволаживания зерна после обработки в усовершенствованной увлажнительной установке сокращается до 6.7 часов или в 2 раза по сравнению с серийной технологией на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 при равных показателях зольности муки 0,60.0,65.

8. Обоснован набор, последовательность и продолжительность операций усовершенствованной технологии увлажнения зерна перед помолом, включающий:

• загрузку зерна в бункер увлажнительной установки шлюзовым затвором;

• вакуумирование зерна при разряжении 40. .55 кПа в течение 0,4 с;

• орошение зерна водой разбрызгиванием под вакуумом в течение 0,06 с;

• перемешивание зерна в условиях вакуума в течение 90 с;

• обработку во влагоснимателе при давлении воздуха 30 кПа в течение 90 с;

• выгрузку зерна в потоке шлюзовым затвором;

• отволаживание зерна в течение 6. .7 часов.

Внедрение её на основе усовершенствованной увлажнительной установки в сравнении с серийной технологией на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 может обеспечить сокращение удельных эксплуатационных затрат на 27,87%, трудоемкости процесса на 33,3% и получение годовой экономии около 430 тыс. руб. при сроке окупаемости капвложений 1,15 года.

1. Агропром за рубежом, том 3. Экономика и связи с Россией. - М.: Агентство «Бизнес-Пресс» - 2004. - 92с.

2. Айзикович JI. Е., Хорцев Б. Н. Технология производства муки. Колос, М., 1968.

3. Айзикович JI.E. Технологический процесс на пневматической мельнице

4. Алимкулов Ж. С. Исследование технологических свойств и гидротермической обработки шелушенного зерна при многосортном помоле пшеницы: Ав-тореф. дис. канд. техн. наук. -М.: 1979. -30 с.

5. Анисимова JI. В. Исследование особенностей взаимодействия анатомических частей зерна пшеницы при гидротермической обработке: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: 1977. - 21 с.

6. Беркутова Н. С. Изменение технологических свойств пшеницы Целинного края при гидротермической обработке. «Вестник технической информации», № 1, 1964.

7. Богомягкий В.А., Пепчук A.JI. Интенсификация разгрузки бункерных устройств в условиях сводообразования зерновых материалов. Зер-ноград, 1995. - 162 с.

8. Братухин А. М. О расширении ассортимента и улучшения качества муки. «Вестник технической информации», № 7, 1961.

9. Бугрова H.A. и др. Хлеб со смесью круп и его товароведная оценка/ Секция «Технология и оборудование пищевых производств». Барнаул.-2003.

10. Бутковский В.А. Мукомольное производство / В.А. Бутковский. М.: Колос, 1983. - 2-е изд. доп. и перераб.

11. Власов, Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники / Н.С. Власов. М.: Колос, 1968. - 222 с.

12. Войтюк Д.Г. «Исследование технологического процесса распыла и транспортировки капель жидких ядохимикатов воздушным потоком». Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Киев: 1961 - 24 с.

13. Гидротермическая обработка пшеницы в СССР и за рубежом. Егоров Г.А. Обзорная информация Серия «Мукомольно-крупяная промышленность». М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1966. 84с.

14. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов

15. Гиршсон В. Я. Экспериментальное исследование процессов техноло1617,18